7.3.2 复数乘、除运算的三角表示及其几何意义

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考过本节的真题

没有考过

本站语料里还没有一道真题考到这一节:现有攻略中没有任何一篇,经由引本节作教材出处的实体连到本节。这一段是两跳派生的(节 ← 实体 ← 攻略),源里没有「节 → 题」的手写声明——新的攻略一上站,清单会自己长出来。它说的是本站已上站的那些卷子里没有考到,不是「高考不考这一节」。

讲解

本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。

上一节把复数写成了 r(cos⁡θ+isin⁡θ)r(\cos\theta+\mathrm i\sin\theta),但只写不用是没有意义的。 本节要说明为什么值得换这个写法:代数形式下要展开四项、要分母有理化的乘除法, 换到三角形式里只剩两句话——模相乘(相除),辐角相加(相减)。 更要紧的是,这两句话有干净的几何意义:乘一个复数 = 旋转 + 伸缩。 复数从此不再只是”一对有序实数”,而成了平面上的一种运动。

前面,我们研究了复数代数形式的乘、除运算,下面我们利用复数的三角表示研究复数的乘、除运算及其几何意义.

一、乘法的三角表示

如果把复数 z1z_{1},z2z_{2} 分别写成三角形式 z1=r1(cos⁡θ1+isin⁡θ1)z_{1} = r_{1}(\cos \theta_{1} + \mathrm{i}\sin \theta_{1}),z2=r2(cos⁡θ2+isin⁡θ2)z_{2} = r_{2}(\cos \theta_{2} + \mathrm{i}\sin \theta_{2}),你能计算 z1z2z_{1}z_{2} 并将结果表示成三角形式吗?

根据复数的乘法法则以及两角和的正弦、余弦公式,可以得到

z1z2=r1(cos⁡θ1+isin⁡θ1)⋅r2(cos⁡θ2+isin⁡θ2)=r1r2(cos⁡θ1+isin⁡θ1)(cos⁡θ2+isin⁡θ2)=r1r2[(cos⁡θ1cos⁡θ2−sin⁡θ1sin⁡θ2)+i(sin⁡θ1cos⁡θ2+cos⁡θ1sin⁡θ2)]=r1r2[cos⁡(θ1+θ2)+isin⁡(θ1+θ2)],\begin{array}{r l} z _ {1} z _ {2} & = r _ {1} (\cos \theta_ {1} + \mathrm{i} \sin \theta_ {1}) \cdot r _ {2} (\cos \theta_ {2} + \mathrm{i} \sin \theta_ {2}) \\ & = r _ {1} r _ {2} (\cos \theta_ {1} + \mathrm{i} \sin \theta_ {1}) (\cos \theta_ {2} + \mathrm{i} \sin \theta_ {2}) \\ & = r _ {1} r _ {2} \big [ (\cos \theta_ {1} \cos \theta_ {2} - \sin \theta_ {1} \sin \theta_ {2}) + \mathrm{i} (\sin \theta_ {1} \cos \theta_ {2} + \cos \theta_ {1} \sin \theta_ {2}) \big ] \\ & = r _ {1} r _ {2} \big [ \cos (\theta_ {1} + \theta_ {2}) + \mathrm{i} \sin (\theta_ {1} + \theta_ {2}) \big ], \end{array}

r1(cos⁡θ1+isin⁡θ1)⋅r2(cos⁡θ2+isin⁡θ2)=r1r2[cos⁡(θ1+θ2)+isin⁡(θ1+θ2)].\begin{array}{r l} & r _ {1} (\cos \theta_ {1} + \mathrm{i} \sin \theta_ {1}) \cdot r _ {2} (\cos \theta_ {2} + \mathrm{i} \sin \theta_ {2}) \\ & = r _ {1} r _ {2} \big [ \cos (\theta_ {1} + \theta_ {2}) + \mathrm{i} \sin (\theta_ {1} + \theta_ {2}) \big ]. \end{array}

这段推导里真正干活的是两角和公式,值得把关节点单独拎出来:

  • 先按代数形式展开,得到实部 cos⁡θ1cos⁡θ2−sin⁡θ1sin⁡θ2\cos\theta_1\cos\theta_2-\sin\theta_1\sin\theta_2 和虚部 sin⁡θ1cos⁡θ2+cos⁡θ1sin⁡θ2\sin\theta_1\cos\theta_2+\cos\theta_1\sin\theta_2;
  • 这两个式子恰好就是 cos⁡(θ1+θ2)\cos(\theta_1+\theta_2) 和 sin⁡(θ1+θ2)\sin(\theta_1+\theta_2) 的展开式, 于是整个括号又变回了三角形式。

换句话说:复数乘法之所以能写成”辐角相加”,根子在两角和公式。 反过来,这也给两角和公式提供了一个新的解释——它就是复数乘法在说的同一件事。

这就是说,两个复数相乘,积的模等于各复数的模的积,积的辐角等于各复数的辐角的和.

这句话要背,但更要记住它对模和辐角的要求不一样:

  • 模一定是相乘,∣z1z2∣=∣z1∣ ∣z2∣|z_1z_2|=|z_1|\,|z_2|,这是等式,没有例外;
  • 辐角是相加,但”辐角”本身就带着 2kπ2k\pi 的不确定性, 所以 θ1+θ2\theta_1+\theta_2 未必落在主值区间里,报主值时可能要加减 2π2\pi 调整一次。

这一条是本节计算题最常见的失分点,后面练习第 1 题第 (2) 小题就要用到。

二、乘法的几何意义:旋转加伸缩

由复数乘法运算的三角表示,你能得到复数乘法的几何意义吗?

两个复数 z1z_{1},z2z_{2} 相乘时,可以像图7.3-6那样,先分别画出与 z1z_{1},z2z_{2} 对应的向量 OZ1→\overrightarrow{OZ_1},OZ2→\overrightarrow{OZ_2},然后把向量 OZ1→\overrightarrow{OZ_1} 绕点 OO 按逆时针方向旋转角 θ2\theta_{2}(如果 θ2<0\theta_{2} < 0,就要把 OZ1→\overrightarrow{OZ_1} 绕点 OO 按顺时针方向旋转角 ∣θ2∣|\theta_{2}|),再把它的模变为原来的 r2r_2 倍,得到向量 OZ→\overrightarrow{OZ},OZ→\overrightarrow{OZ} 表示的复数就是积 z1z2z_{1}z_{2}. 这是复数乘法的几何意义.

把这段话拆成两个独立动作,顺序还可以交换:

  1. 旋转:把 OZ1→\overrightarrow{OZ_1} 绕 OO 转过角 θ2\theta_2。θ2>0\theta_2>0 逆时针,θ2<0\theta_2<0 顺时针。
  2. 伸缩:把模乘以 r2r_2。r2>1r_2>1 拉长,0<r2<10<r_2<1 压短,r2=1r_2=1 不变。

注意乘法是可交换的,所以也可以反过来说成”把 OZ2→\overrightarrow{OZ_2} 转 θ1\theta_1 再伸缩 r1r_1 倍”, 结果一样。乘一个模为 11 的复数就是纯粹的旋转,这是后面例 4 和练习第 3 题的全部依据。

你能解释 i2=−1i^2 = -1 和 (−1)2=1(-1)^2 = 1 的几何意义吗?

这两个几何解释很值得认真答:

  • i\mathrm i 的模是 11、辐角主值是 π2\dfrac\pi2,所以乘 i\mathrm i 就是逆时针转 90∘90^\circ。 i2\mathrm i^2 是让 11 对应的向量连转两次 90∘90^\circ,转到 180∘180^\circ, 正好落在 −1-1 上——i2=−1\mathrm i^2=-1 的意思是”转两个直角等于转半圈”。
  • −1-1 的模是 11、辐角主值是 π\pi,所以乘 −1-1 是转半圈。 (−1)2(-1)^2 就是连转两个半圈,转满一整圈回到原地,于是 (−1)2=1(-1)^2=1。

这个视角把”负负得正”从一条规定变成了一个事实:两次半圈就是一整圈。

例 3

例 3 已知 z1=32(cos⁡π6+isin⁡π6)z_{1}=\frac{3}{2}\left(\cos\frac{\pi}{6}+\mathrm{i}\sin\frac{\pi}{6}\right) , z2=2(cos⁡π3+isin⁡π3)z_{2}=2\left(\cos\frac{\pi}{3}+\mathrm{i}\sin\frac{\pi}{3}\right) ,求 z1z2z_{1}z_{2} ,请把结果化为代数形式,并作出几何解释.

解:z1z2=32(cos⁡π6+isin⁡π6)×2(cos⁡π3+isin⁡π3)=32×2[cos⁡(π6+π3)+isin⁡(π6+π3)]=3(cos⁡π2+isin⁡π2)=3i.\begin{array}{r l} \text {解:} & z _ {1} z _ {2} = \frac {3}{2} \big (\cos \frac {\pi}{6} + \mathrm{i} \sin \frac {\pi}{6} \big) \times 2 \big (\cos \frac {\pi}{3} + \mathrm{i} \sin \frac {\pi}{3} \big) \\ & \qquad = \frac {3}{2} \times 2 \left[ \cos \big (\frac {\pi}{6} + \frac {\pi}{3} \big) + \mathrm{i} \sin \big (\frac {\pi}{6} + \frac {\pi}{3} \big) \right] \\ & \qquad = 3 \big (\cos \frac {\pi}{2} + \mathrm{i} \sin \frac {\pi}{2} \big) \\ & \qquad = 3 \mathrm{i}. \end{array}

当不要求把计算结果化为代数形式时,也可以用三角形式表示.

首先作与 z1z_{1},z2z_{2} 对应的向量 OZ1→\overrightarrow{OZ_{1}},OZ2→\overrightarrow{OZ_{2}},然后把向量 OZ1→\overrightarrow{OZ_{1}} 绕点 OO 按逆时针方向旋转 π3\frac{\pi}{3},再将其长度伸长为原来的2倍,这样得到一个长度为3,辐角为 π2\frac{\pi}{2} 的向量 OZ→\overrightarrow{OZ}(图7.3-7)。OZ→\overrightarrow{OZ} 即为积 z1z2=3iz_{1}z_{2} = 3\mathrm{i} 所对应的向量。

这道例题的两句话都要会说:算的时候是 32×2=3\frac32\times 2=3、π6+π3=π2\frac\pi6+\frac\pi3=\frac\pi2; 说几何意义的时候是”先把 OZ1→\overrightarrow{OZ_1} 逆时针转 π3\frac\pi3,再把模拉长到 22 倍”。 结果 3i3\mathrm i 落在虚轴正半轴上,恰好印证辐角变成了 π2\frac\pi2。

例 4

例 4 如图 7.3-8,向量 OZ→\overrightarrow{OZ} 对应的复数为 1+i1 + i ,把 OZ→\overrightarrow{OZ} 绕点 O 按逆时针方向旋转 120∘120^{\circ} ,得到 OZ′→\overrightarrow{OZ'} 。求向量 OZ′→\overrightarrow{OZ'} 对应的复数(用代数形式表示)。

分析:根据复数乘法的几何意义,向量 OZ′→\overrightarrow{OZ'} 对应的复数是复数 1+i1+i 与 z0z_{0} 的积,其中复数 z0z_{0} 的模是1,辐角的主值是 120∘120^{\circ} .

(1+i)(cos⁡120∘+isin⁡120∘)=(1+i)(−12+32i)=−1−32+3−12i.\begin{array}{r l} & (1 + \mathrm{i}) (\cos 1 2 0 ^ {\circ} + \mathrm{i} \sin 1 2 0 ^ {\circ}) \\ & = (1 + \mathrm{i}) \left(- \frac {1}{2} + \frac {\sqrt {3}}{2} \mathrm{i}\right) \\ & = \frac {- 1 - \sqrt {3}}{2} + \frac {\sqrt {3} - 1}{2} \mathrm{i}. \end{array}

这道题的思路值得单独记:题目里出现”绕原点旋转 α\alpha 角”, 就把它翻译成乘以 cos⁡α+isin⁡α\cos\alpha+\mathrm i\sin\alpha(模为 11,只转不伸缩); 逆时针取正角,顺时针取负角。翻译完之后,剩下的就是普通的复数乘法。

三、除法的三角表示与几何意义

复数的除法运算是乘法运算的逆运算. 根据复数乘法运算的三角表示, 你能得出复数除法运算的三角表示吗?

设 z1=r1(cos⁡θ1+isin⁡θ1),z2=r2(cos⁡θ2+isin⁡θ2)z_{1} = r_{1}(\cos \theta_{1} + \mathrm{i}\sin \theta_{1}), z_{2} = r_{2}(\cos \theta_{2} + \mathrm{i}\sin \theta_{2}) ,且 z2≠0z_{2} \neq 0 ,因为

r2(cos⁡θ2+isin⁡θ2)⋅r1r2[cos⁡(θ1−θ2)+isin⁡(θ1−θ2)]=r1(cos⁡θ1+isin⁡θ1),r _ {2} (\cos \theta_ {2} + \mathrm{i} \sin \theta_ {2}) \cdot \frac {r _ {1}}{r _ {2}} [ \cos (\theta_ {1} - \theta_ {2}) + \mathrm{i} \sin (\theta_ {1} - \theta_ {2}) ] = r _ {1} (\cos \theta_ {1} + \mathrm{i} \sin \theta_ {1}),

r1(cos⁡θ1+isin⁡θ1)r2(cos⁡θ2+isin⁡θ2)=r1r2[cos⁡(θ1−θ2)+isin⁡(θ1−θ2)].\frac {r _ {1} (\cos \theta_ {1} + \mathrm{i} \sin \theta_ {1})}{r _ {2} (\cos \theta_ {2} + \mathrm{i} \sin \theta_ {2})} = \frac {r _ {1}}{r _ {2}} \big [ \cos (\theta_ {1} - \theta_ {2}) + \mathrm{i} \sin (\theta_ {1} - \theta_ {2}) \big ].

课本用的是”验证”而不是”推导”:它先把答案写出来, 再验证这个答案乘以 z2z_2 确实等于 z1z_1,然后引用除法的定义(商是唯一的)得出结论。 这条路走得通,是因为除法被定义成乘法的逆运算, 所以”谁乘 z2z_2 得 z1z_1“和”z1z_1 除以 z2z_2 等于谁”是同一个问题。

这就是说,两个复数相除,商的模等于被除数的模除以除数的模所得的商,商的辐角等于被除数的辐角减去除数的辐角所得的差.

类比复数乘法的几何意义,由复数除法运算的三角表示,你能得出复数除法的几何意义吗?

除法的几何意义照着乘法反过来说就行:z1z2\dfrac{z_1}{z_2} 对应的向量, 是把 OZ1→\overrightarrow{OZ_1} 绕 OO 顺时针旋转 θ2\theta_2(若 θ2<0\theta_2<0 则逆时针转 ∣θ2∣|\theta_2|), 再把模变为原来的 1r2\dfrac1{r_2} 倍。z2≠0z_2\neq 0 这个条件不能省, 否则 r2=0r_2=0,“缩为 1r2\frac1{r_2} 倍”根本没有意义。

例 5

例 5 计算 4(cos⁡4π3+isin⁡4π3)÷[2(cos⁡5π6+isin⁡5π6)]4\left(\cos\frac{4\pi}{3}+\mathrm{i}\sin\frac{4\pi}{3}\right)\div\left[2\left(\cos\frac{5\pi}{6}+\mathrm{i}\sin\frac{5\pi}{6}\right)\right] ,并把结果化为代数形式.

解:原式 =2[cos⁡(4π3−5π6)+isin⁡(4π3−5π6)]=2\left[\cos\left(\frac{4\pi}{3}-\frac{5\pi}{6}\right)+\mathrm{i}\sin\left(\frac{4\pi}{3}-\frac{5\pi}{6}\right)\right]

=2(cos⁡π2+isin⁡π2)=2(0+i)=2i.= 2 \left(\cos \frac {\pi}{2} + \mathrm{i} \sin \frac {\pi}{2}\right) = 2 (0 + \mathrm{i}) = 2 \mathrm{i}.

注意这里的角差 4π3−5π6=8π−5π6=π2\frac{4\pi}3-\frac{5\pi}6=\frac{8\pi-5\pi}{6}=\frac{\pi}2 正好落在主值区间里, 不需要调整。但下一节练习里就有需要加 2π2\pi 或减 2π2\pi 的情形,每次算完都要看一眼。

四、探究与发现:棣莫弗定理与 11 的 nn 次方根

初中我们学过,1的平方根为 ±1\pm 1 ,它们互为相反数.如何求1的3次方根,4次方根…… nn 次方根?它们有什么性质呢?

我们知道开方是乘方的逆运算,为了探求1的 nn 次方根,需要先研究复数的乘方.

由复数乘法运算的三角表示知,若 z1=r1(cos⁡θ1+isin⁡θ1)z_{1} = r_{1}(\cos \theta_{1} + \mathrm{i}\sin \theta_{1}) , z2=r2⋅(cos⁡θ2+z_{2} = r_{2}\cdot (\cos \theta_{2}+ isinθ2)\mathrm{isin}\theta_{2}) ,则 z1z2=r1r2[cos⁡(θ1+θ2)+isin⁡(θ1+θ2)]z_{1}z_{2} = r_{1}r_{2}\left[\cos (\theta_{1} + \theta_{2}) + \mathrm{i}\sin (\theta_{1} + \theta_{2})\right] .这个结论可以推广到n(n⩾2n(n\geqslant 2 , n∈N)n\in \mathbf{N}) 个复数相乘的情况,即若 z1=r1(cos⁡θ1+isin⁡θ1)z_{1} = r_{1}(\cos \theta_{1} + \mathrm{i}\sin \theta_{1}) , z2=r2(cos⁡θ2+z_{2} = r_{2}(\cos \theta_{2}+ isinθ2)\mathrm{isin}\theta_{2}) ,…, zn=rn(cos⁡θn+isin⁡θn)z_{n} = r_{n}(\cos \theta_{n} + \mathrm{i}\sin \theta_{n}) ,则

z1z2…zn=r1r2…rn[cos⁡(θ1+θ2+⋯+θn)+isin⁡(θ1+θ2+⋯+θn)].z _ {1} z _ {2} \dots z _ {n} = r _ {1} r _ {2} \dots r _ {n} \left[ \cos \left(\theta_ {1} + \theta_ {2} + \dots + \theta_ {n}\right) + \mathrm{i} \sin \left(\theta_ {1} + \theta_ {2} + \dots + \theta_ {n}\right) \right].

特别地,如果 z1=z2=⋯=zn=r(cos⁡θ+isin⁡θ)z_{1}=z_{2}=\cdots=z_{n}=r(\cos\theta+\mathrm{i}\sin\theta) ,那么

[r(cos⁡θ+isin⁡θ)]n=rn(cos⁡nθ+isin⁡nθ).[ r (\cos \theta + \mathrm{i} \sin \theta) ] ^ {n} = r ^ {n} (\cos n \theta + \mathrm{i} \sin n \theta).

这就是说,复数的 nn (n∈N∗n \in \mathbf{N}^*)次幂的模等于这个复数的模的 nn 次幂,它的辐角等于这个复数的辐角的 nn 倍,这个结论叫做棣莫弗定理.

棣莫弗定理就是乘法法则用在 nn 个相同因子上,没有新东西: 模连乘 nn 次得到 rnr^n,辐角连加 nn 次得到 nθn\theta。 几何上就是把同一个”转 θ\theta、伸 rr 倍”的动作重复做 nn 遍。

下面我们利用棣莫弗定理,探求1的3次方根,给出它们的几何解释,并探求它们的性质.

设 z=ρ(cos⁡φ+isin⁡φ)z = \rho (\cos \varphi +\mathrm{i}\sin \varphi) (ρ>0)(\rho >0) 是1的3次方根,则 z3=1=cos⁡0+isin⁡0z^3 = 1 = \cos 0 + \mathrm{i}\sin 0 ,从而

[ρ(cos⁡φ+isin⁡φ)]3=ρ3(cos⁡3φ+isin⁡3φ)=cos⁡0+isin⁡0.[ \rho (\cos \varphi + \mathrm{i} \sin \varphi) ] ^ {3} = \rho^ {3} (\cos 3 \varphi + \mathrm{i} \sin 3 \varphi) = \cos 0 + \mathrm{i} \sin 0.

因为相等的复数的模相等,辐角可以相差 2π2\pi 的整数倍,所以

{ρ3=1,3φ=0+2kπ(k∈Z),\left\{ \begin{array}{l} \rho^ {3} = 1, \\ 3 \varphi = 0 + 2 k \pi (k \in \mathbf {Z}), \end{array} \right.

{ρ=1,φ=2kπ3(k∈Z).\left\{ \begin{array}{l} \rho = 1, \\ \varphi = \frac {2 k \pi}{3} (k \in \mathbf {Z}). \end{array} \right.

因此1的3次方根是 cos⁡2kπ3+isin⁡2kπ3(k∈Z).\cos \frac{2k\pi}{3} +\mathrm{i}\sin \frac{2k\pi}{3} (k\in \mathbf{Z}).

根据三角函数的周期性可得,1的3次方根为 ωk=cos⁡2kπ3+isin⁡2kπ3\omega_{k} = \cos \frac{2k\pi}{3} +\mathrm{i}\sin \frac{2k\pi}{3} ( k=0k = 0 1,2),即 ω0=cos⁡0+isin⁡0=1\omega_0 = \cos 0 + \mathrm{i}\sin 0 = 1 , ω1=cos⁡2π3+isin⁡2π3=−12+32i,ω2=cos⁡4π3+\omega_{1} = \cos \frac{2\pi}{3} +\mathrm{i}\sin \frac{2\pi}{3} = -\frac{1}{2} +\frac{\sqrt{3}}{2}\mathrm{i},\omega_{2} = \cos \frac{4\pi}{3} + isin4π3=−12−32i.\mathrm{isin}\frac{4\pi}{3} = -\frac{1}{2} -\frac{\sqrt{3}}{2}\mathrm{i}.

这段推导的关键在”辐角可以相差 2π2\pi 的整数倍”这一句。 如果按”辐角相等”去解,只会得到 φ=0\varphi=0 一个根,漏掉另外两个。 复数相等的条件是”模相等且辐角相差 2kπ2k\pi“,不是”辐角相等”—— 这是本节最容易出错的一处,务必分清。

至于为什么 kk 只取 0,1,20,1,2:φ=2kπ3\varphi=\dfrac{2k\pi}3 中, kk 每增加 33,φ\varphi 就增加 2π2\pi,对应的复数完全相同。 所以 k=0,1,2k=0,1,2 已经把互不相同的根取遍了,k=3k=3 又回到 k=0k=0。

如图1,在复平面内,设 ω0,ω1,ω2\omega_0, \omega_1, \omega_2 对应的点分别为 Z0,Z1,Z2Z_0, Z_1, Z_2,对应的向量分别为 OZ0→,OZ1→,OZ2→\overrightarrow{OZ_0}, \overrightarrow{OZ_1}, \overrightarrow{OZ_2}。因为 ∣ω0∣=∣ω1∣=∣ω2∣=1|\omega_0| = |\omega_1| = |\omega_2| = 1,所以 ω0,ω1,ω2\omega_0, \omega_1, \omega_2 所对应的点 Z0,Z1,Z2Z_0, Z_1, Z_2 都在以原点 OO 为圆心的单位圆上。因为 ω0,ω1,ω2\omega_0, \omega_1, \omega_2 的辐角依次相差 2π3\frac{2\pi}{3},所以 Z0,Z1,Z2Z_0, Z_1, Z_2 是单位圆的三等分点(也可以看成单位圆的内接正三角形的顶点),且分点 Z0Z_0 恰为单位圆与实轴的正半轴的交点。

从 ω0,ω1,ω2\omega_0, \omega_1, \omega_2 对应的向量 OZ0→,OZ1→,OZ2→\overrightarrow{OZ_0}, \overrightarrow{OZ_1}, \overrightarrow{OZ_2} 来看,容易发现:将 OZ0→\overrightarrow{OZ_0} 绕原点 OO 按逆时针方向旋转 2π3\frac{2\pi}{3} 得到 OZ1→\overrightarrow{OZ_1},再按逆时针方向旋转 2π3\frac{2\pi}{3} 得到 OZ2→\overrightarrow{OZ_2},继续按逆时针方向旋转 2π3\frac{2\pi}{3} 得到 OZ0→\overrightarrow{OZ_0}.

三条性质的证明

(1) (ωk)3=1,∣ωk∣=1(\omega_{k})^{3}=1,\quad|\omega_{k}|=1 ,其中k=0,1,2;

(2) ω1\omega_{1} 和 ω2\omega_{2} 互为共轭复数;

(3) 1+ωk+ωk2=01+\omega_{k}+\omega_{k}^{2}=0 (k=1, 2).

(1) 由棣莫弗定理,

(ωk)3=(cos⁡2kπ3+isin⁡2kπ3)3=cos⁡2kπ+isin⁡2kπ=1(\omega_k)^3=\left(\cos\frac{2k\pi}3+\mathrm i\sin\frac{2k\pi}3\right)^3 =\cos 2k\pi+\mathrm i\sin 2k\pi=1

而 ∣ωk∣=1|\omega_k|=1 是因为 cos⁡2α+sin⁡2α=1\cos^2\alpha+\sin^2\alpha=1,与 kk 无关。

(2) ω1=−12+32i\omega_1=-\dfrac12+\dfrac{\sqrt3}2\mathrm i,ω2=−12−32i\omega_2=-\dfrac12-\dfrac{\sqrt3}2\mathrm i, 实部相同、虚部互为相反数,正是共轭复数的定义。 换成辐角说更直观:2π3\dfrac{2\pi}3 与 4π3\dfrac{4\pi}3 关于实轴对称 (4π3=2π−2π3\dfrac{4\pi}3=2\pi-\dfrac{2\pi}3),共轭在复平面上就是关于实轴翻折。

(3) 直接算最稳。当 k=1k=1 时,ω12=ω2\omega_1^2=\omega_2(辐角 2π3\frac{2\pi}3 翻倍成 4π3\frac{4\pi}3),于是

1+ω1+ω12=1+(−12+32i)+(−12−32i)=01+\omega_1+\omega_1^2=1+\left(-\frac12+\frac{\sqrt3}2\mathrm i\right)+\left(-\frac12-\frac{\sqrt3}2\mathrm i\right)=0

k=2k=2 时 ω22=ω4=ω1\omega_2^2=\omega_4=\omega_1(辐角 8π3\frac{8\pi}3 减去 2π2\pi 是 2π3\frac{2\pi}3), 三项还是那三个数,和仍为 00。

还有一个更漂亮的理由:ωk\omega_k 是 x3−1=0x^3-1=0 的根,而

x3−1=(x−1)(x2+x+1)x^3-1=(x-1)(x^2+x+1)

ω1\omega_1、ω2\omega_2 都不等于 11,所以它们是 x2+x+1=0x^2+x+1=0 的根, 代进去就是 ωk2+ωk+1=0\omega_k^2+\omega_k+1=0。 几何上这三个向量首尾相接构成一个封闭的正三角形,向量和当然为零。

类比上述研究方法,请你自己探求1的4次方根,5次方根……n次方根.你能解释它们的几何意义,并探求它们的性质吗?

推广到 nn 次方根,做法一字不改:设 z=ρ(cos⁡φ+isin⁡φ)z=\rho(\cos\varphi+\mathrm i\sin\varphi) 满足 zn=1z^n=1, 则 ρn=1\rho^n=1 且 nφ=2kπn\varphi=2k\pi,于是 ρ=1\rho=1、φ=2kπn\varphi=\dfrac{2k\pi}n,

ωk=cos⁡2kπn+isin⁡2kπn(k=0,1,…,n−1)\omega_k=\cos\frac{2k\pi}n+\mathrm i\sin\frac{2k\pi}n\qquad(k=0,1,\dots,n-1)

它们是单位圆的 nn 等分点,也就是单位圆内接正 nn 边形的顶点, 其中一个顶点固定在 11 处。当 n⩾2n\geqslant 2 时它们的和仍为 00 (同样因为 xn−1=(x−1)(xn−1+⋯+x+1)x^n-1=(x-1)(x^{n-1}+\cdots+x+1))。

五、本章小结·回顾与思考

本章我们通过解方程引入了复数,进而研究了复数的表示和运算,以及它们的几何意义,将实数系扩充成复数系.

复数本质上是一对有序实数,因此复数与复平面内的点是一一对应的,与复平面内以原点为起点的向量也是一一对应的,由复数的向量表示可以进一步得到复数的三角形式。因此,复数的代数形式、三角形式都具有明显的几何意义。从复数的运算看,复数代数形式的加、减运算的几何意义,就是相应平面向量的加减运算;复数的乘、除运算的几何意义,就是平面向量的旋转、伸缩。本章强调数与形的结合,学习时应注意把握数形结合的思想方法。

学习本章时,应注意复数与实数、有理数的联系,复数及其代数形式的加法、减法、乘法运算与多项式及其加法、减法、乘法运算的联系,应注意复数及其代数形式的加、减运算与平面向量及其加、减运算的联系,还应关注复数的三角表示以及复数的乘、除运算与平面向量、三角函数的联系。这些联系可以用以下框图表示:

下面按课本的六问逐条作答。

  1. 收集一些从实数系扩充到复数系的数学史料,并对“整数—有理数—实数—复数”的数系扩充过程进行整理.

答:数系每一次扩充,都是因为原来的数系里有些运算做不了, 而扩充的方式都是”添一个新数、保留原有运算律”。 整数补上了自然数里做不了的减法;有理数补上了整数里做不了的除法; 实数补上了有理数里开不尽的方根与极限;复数补上了实数里 x2=−1x^2=-1 这类方程的解。 每一步都遵守同一条底线:新数系必须把旧数系原样包含进去,运算律不能塌。 历史上从丢番图、卡尔达诺到韦塞尔,人们真正接受复数用了三百年, 转折点正是韦塞尔给出的几何表示——有了复平面,虚数就不再”虚”了。

  1. 学习复数应联系实数,注意到复数事实上是一对有序实数,请比较实数、虚数、纯虚数、复数之间的区别和联系,比较实数和复数的几何意义的区别.

答:包含关系是复数 ⊃\supset 实数,复数里非实数的部分叫虚数, 虚数里实部为零的叫纯虚数。用 z=a+biz=a+b\mathrm i(a,b∈Ra,b\in\mathbf R)说:

名称条件
实数b=0b=0
虚数b≠0b\neq 0
纯虚数a=0a=0 且 b≠0b\neq 0

几何意义的区别是维数:实数对应数轴上的点(一维), 复数对应平面上的点或以原点为起点的向量(二维)。 这也解释了为什么复数不能像实数那样比较大小——平面上的点没有天然的顺序。

  1. 你对复数四则运算法则规定的合理性,以及复数代数形式的加、减运算与向量的加、减运算的一致性有什么体会?

答:合理性来自两条底线:一是把 i2=−1\mathrm i^2=-1 当作唯一的新规定, 二是让加、减、乘、除的运算律(交换、结合、分配)原样保留。 在这两条下,(a+bi)(c+di)(a+b\mathrm i)(c+d\mathrm i) 只能按多项式乘法展开再用 i2=−1\mathrm i^2=-1 合并, 结果是被逼出来的,不是随便定的。 至于加、减运算与向量的一致性,看坐标就清楚: (a+bi)±(c+di)=(a±c)+(b±d)i(a+b\mathrm i)\pm(c+d\mathrm i)=(a\pm c)+(b\pm d)\mathrm i, 和向量 (a,b)±(c,d)(a,b)\pm(c,d) 逐分量相加减完全一样。 所以复数加减法的几何意义就是平行四边形法则和三角形法则。

  1. 什么是复数的三角形式?它与复数的几何意义之间有什么联系?复数的代数形式与三角形式之间有什么关系?

答:三角形式是 z=r(cos⁡θ+isin⁡θ)z=r(\cos\theta+\mathrm i\sin\theta),其中 r=∣z∣r=|z| 是模、θ\theta 是辐角。 它与几何意义的联系是直接的:rr 就是向量 OZ→\overrightarrow{OZ} 的长度, θ\theta 就是这个向量与实轴正半轴的夹角。

三角形式说的是”多长、朝哪”,代数形式说的是”横多少、纵多少”。 两者靠

a=rcos⁡θ,b=rsin⁡θ;r=a2+b2,tan⁡θ=ba (a≠0)a=r\cos\theta,\quad b=r\sin\theta;\qquad r=\sqrt{a^2+b^2},\quad \tan\theta=\frac ba\ (a\neq 0)

互相换算。由 tan⁡θ\tan\theta 定 θ\theta 时必须结合点所在的象限,否则会差 π\pi。

  1. 复数乘、除运算的几何意义是什么?

答:乘法是”旋转 ++ 伸缩”,除法是”反向旋转 ++ 反向伸缩”。 具体地,z1z2z_1z_2 对应把 OZ1→\overrightarrow{OZ_1} 逆时针转 θ2\theta_2、模乘 r2r_2; z1z2\dfrac{z_1}{z_2} 对应把 OZ1→\overrightarrow{OZ_1} 顺时针转 θ2\theta_2、模乘 1r2\dfrac1{r_2}。 这是本章”数与形结合”最集中的一处:一个乘法算式,在平面上就是一个刚体运动加一次缩放。

  1. 比较复数乘、除运算的代数表示与三角表示,体会复数的三角表示给乘、除运算带来的便利.

答:代数表示下乘法要展开四项、除法要分母有理化,运算量随因子个数迅速增长; 三角表示下乘除只动模和辐角,乘方更是直接用棣莫弗定理一步到位。 代价是要先求出模和辐角,还要处理主值。 所以经验法则是:

题目里出现旋转、乘方、开方、多个因子连乘,就换三角形式;只是一两次加减或简单乘除,代数形式更省事。

六、常见错法

  • 把”辐角相加”直接当成主值相加。θ1+θ2\theta_1+\theta_2 可能超出 [0,2π)[0,2\pi), 要加减 2π2\pi 调回主值。练习第 1 题第 (2) 小题就是这种情况。
  • 对着”不是三角形式”的式子直接套公式。 r(cos⁡θ+isin⁡θ)r(\cos\theta+\mathrm i\sin\theta) 里 rr 必须非负、两处的角必须相同、 中间必须是加号、cos⁡\cos 在前 sin⁡\sin 在后。四条缺一条都要先化成标准形再算。
  • 除法时忘了 z2≠0z_2\neq 0。r2=0r_2=0 时模的商没有意义。
  • 求 nn 次方根时按”辐角相等”解。必须用”辐角相差 2kπ2k\pi”, 否则 nn 个根只会解出一个。
  • 旋转的方向弄反。逆时针乘 cos⁡α+isin⁡α\cos\alpha+\mathrm i\sin\alpha, 顺时针乘 cos⁡α−isin⁡α\cos\alpha-\mathrm i\sin\alpha,也就是乘 cos⁡(−α)+isin⁡(−α)\cos(-\alpha)+\mathrm i\sin(-\alpha)。
  • 由 tan⁡θ=ba\tan\theta=\dfrac ba 定辐角时不看象限。 1+i1+\mathrm i 与 −1−i-1-\mathrm i 的 tan⁡θ\tan\theta 都是 11,辐角却差了 π\pi。

习题详解(本站解答,无官方答案可核)

人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。

本目录横跨 page-0093—page-0103(印刷第 86—96 页),是全章最后一节, 所以它同时收着四组题:

  • §7.3.1 的「练习」3 道(第 86 页)——那一节的正文在上一目录,这三道题印在本目录的首页;
  • §7.3.2 自己的「练习」3 道(第 89 页);
  • 习题 7.3 共 10 道(第 89—90 页);
  • 复习参考题 7 共 10 道(第 94—95 页)。

一共 26 道。除了少数几道纯代数形式的题,其余全部落在同两句话上:

乘法——模相乘、辐角相加;除法——模相除、辐角相减。 几何上,乘一个复数就是”绕原点旋转它的辐角、再把模按它的模伸缩”。

另外有一条贯穿全篇的检查动作:算完辐角先看一眼有没有跳出主值区间, 跳出去了就加减 2π2\pi(或 360∘360^\circ)调回来。

§7.3.1 练习(第 86 页)第 1 题

  1. 画出下列复数对应的向量,并把这些复数表示成三角形式: (1) 4; (2) -i; (3) 23+2i2\sqrt{3} + 2i ; (4) −12−32i-\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2}i .

三角形式是 z=r(cos⁡θ+isin⁡θ)z=r(\cos\theta+\mathrm i\sin\theta),所以每一小题都只要定两个数: 模 r=a2+b2r=\sqrt{a^2+b^2},辐角 θ\theta 由 cos⁡θ=ar\cos\theta=\dfrac ar、sin⁡θ=br\sin\theta=\dfrac br 联合确定。 只用 tan⁡θ=ba\tan\theta=\dfrac ba 会丢象限,两式一起用才唯一。

复数向量指向rrθ\theta(主值)三角形式
44实轴正方向44004(cos⁡0+isin⁡0)4(\cos 0+\mathrm i\sin 0)
−i-\mathrm i虚轴负方向113π2\dfrac{3\pi}2cos⁡3π2+isin⁡3π2\cos\dfrac{3\pi}2+\mathrm i\sin\dfrac{3\pi}2
23+2i2\sqrt3+2\mathrm i第一象限44π6\dfrac\pi64(cos⁡π6+isin⁡π6)4\left(\cos\dfrac\pi6+\mathrm i\sin\dfrac\pi6\right)
−12−32i-\dfrac12-\dfrac{\sqrt3}2\mathrm i第三象限114π3\dfrac{4\pi}3cos⁡4π3+isin⁡4π3\cos\dfrac{4\pi}3+\mathrm i\sin\dfrac{4\pi}3

逐个说明关键一步:

  • (1) 44 是正实数,对应的向量沿实轴正方向,辐角主值取 00。
  • (2) −i-\mathrm i 对应的向量沿虚轴负方向。辐角主值要取在 [0,2π)[0,2\pi) 里, 所以写 3π2\dfrac{3\pi}2 而不是 −π2-\dfrac\pi2。
  • (3) r=(23)2+22=12+4=4r=\sqrt{(2\sqrt3)^2+2^2}=\sqrt{12+4}=4, 于是 cos⁡θ=234=32\cos\theta=\dfrac{2\sqrt3}4=\dfrac{\sqrt3}2、sin⁡θ=24=12\sin\theta=\dfrac24=\dfrac12, 两式同时成立的只有 θ=π6\theta=\dfrac\pi6。
  • (4) r=14+34=1r=\sqrt{\dfrac14+\dfrac34}=1,cos⁡θ=−12\cos\theta=-\dfrac12、sin⁡θ=−32\sin\theta=-\dfrac{\sqrt3}2, 两个都是负的,说明在第三象限,所以 θ=4π3\theta=\dfrac{4\pi}3,不是 2π3\dfrac{2\pi}3。

§7.3.1 练习(第 86 页)第 2 题

  1. 下列复数是不是三角形式?如果不是,把它们表示成三角形式. (1) 12(cos⁡π4−isin⁡π4)\frac{1}{2}\left(\cos\frac{\pi}{4}-\mathrm{i}\sin\frac{\pi}{4}\right) ; (2) −12(cos⁡π3+isin⁡π3)-\frac{1}{2}\left(\cos\frac{\pi}{3}+\mathrm{i}\sin\frac{\pi}{3}\right) ; (3) 12(sin⁡5π12+icos⁡5π12)\frac{1}{2}\left(\sin\frac{5\pi}{12}+\mathrm{i}\cos\frac{5\pi}{12}\right) ; (4) cos⁡7π5+isin⁡7π5\cos\frac{7\pi}{5}+\mathrm{i}\sin\frac{7\pi}{5} ;

2(cos⁡π3+isin⁡π6)2 \left(\cos \frac {\pi}{3} + \mathrm{i} \sin \frac {\pi}{6}\right)

判断”是不是三角形式”,只有四条标准,缺一条就不是:

  1. 模在前且非负:写成 r(⋯ )r(\cdots),r⩾0r\geqslant 0;
  2. 中间是加号:cos⁡θ+isin⁡θ\cos\theta+\mathrm i\sin\theta;
  3. 两处的角必须是同一个 θ\theta;
  4. cos⁡\cos 在前、sin⁡\sin 在后。

对照这四条逐个看:

(1) 12(cos⁡π4−isin⁡π4)\dfrac12\left(\cos\dfrac\pi4-\mathrm i\sin\dfrac\pi4\right) 不是,违反第 2 条。 把负号收进角里:cos⁡π4=cos⁡(−π4)\cos\dfrac\pi4=\cos\left(-\dfrac\pi4\right), −sin⁡π4=sin⁡(−π4)-\sin\dfrac\pi4=\sin\left(-\dfrac\pi4\right),所以它等于

12[cos⁡(−π4)+isin⁡(−π4)]=12(cos⁡7π4+isin⁡7π4)\frac12\left[\cos\left(-\frac\pi4\right)+\mathrm i\sin\left(-\frac\pi4\right)\right] =\frac12\left(\cos\frac{7\pi}4+\mathrm i\sin\frac{7\pi}4\right)

(2) −12(cos⁡π3+isin⁡π3)-\dfrac12\left(\cos\dfrac\pi3+\mathrm i\sin\dfrac\pi3\right) 不是,违反第 1 条(模不能是负数)。 把负号理解成”再转半圈”:−1=cos⁡π+isin⁡π-1=\cos\pi+\mathrm i\sin\pi,于是辐角加 π\pi:

12[cos⁡(π3+π)+isin⁡(π3+π)]=12(cos⁡4π3+isin⁡4π3)\frac12\left[\cos\left(\frac\pi3+\pi\right)+\mathrm i\sin\left(\frac\pi3+\pi\right)\right] =\frac12\left(\cos\frac{4\pi}3+\mathrm i\sin\frac{4\pi}3\right)

(3) 12(sin⁡5π12+icos⁡5π12)\dfrac12\left(\sin\dfrac{5\pi}{12}+\mathrm i\cos\dfrac{5\pi}{12}\right) 不是,违反第 4 条。 用诱导公式把 sin⁡\sin 换成 cos⁡\cos:sin⁡α=cos⁡(π2−α)\sin\alpha=\cos\left(\dfrac\pi2-\alpha\right), cos⁡α=sin⁡(π2−α)\cos\alpha=\sin\left(\dfrac\pi2-\alpha\right),而 π2−5π12=π12\dfrac\pi2-\dfrac{5\pi}{12}=\dfrac\pi{12},所以

12(cos⁡π12+isin⁡π12)\frac12\left(\cos\frac\pi{12}+\mathrm i\sin\frac\pi{12}\right)

(4) cos⁡7π5+isin⁡7π5\cos\dfrac{7\pi}5+\mathrm i\sin\dfrac{7\pi}5 是三角形式:模是 11,两处同角,加号,cos⁡\cos 在前。 7π5∈[0,2π)\dfrac{7\pi}5\in[0,2\pi),辐角已经是主值。

(5) 2(cos⁡π3+isin⁡π6)2\left(\cos\dfrac\pi3+\mathrm i\sin\dfrac\pi6\right) 不是,违反第 3 条——两个角不一样。 这种情况没有捷径,只能先算回代数形式再重新求模和辐角:

2(12+12i)=1+i ⟹ r=2, θ=π42\left(\frac12+\frac12\mathrm i\right)=1+\mathrm i \ \Longrightarrow\ r=\sqrt2,\ \theta=\frac\pi4

2(cos⁡π4+isin⁡π4)\sqrt2\left(\cos\frac\pi4+\mathrm i\sin\frac\pi4\right)

第 (5) 小题最值得警惕:cos⁡π3\cos\dfrac\pi3 与 sin⁡π6\sin\dfrac\pi6 碰巧都等于 12\dfrac12, 式子看上去”很像”三角形式,但角不同就不是。判断时看形式,不看数值。

§7.3.1 练习(第 86 页)第 3 题

  1. 把下列复数表示成代数形式: (1) 6(cos⁡3π2+isin⁡3π2)6\left(\cos\frac{3\pi}{2}+\mathrm{i}\sin\frac{3\pi}{2}\right) ; (2) 2(cos⁡5π3+isin⁡5π3)2\left(\cos\frac{5\pi}{3}+\mathrm{i}\sin\frac{5\pi}{3}\right) .

反方向的换算,把 cos⁡θ\cos\theta、sin⁡θ\sin\theta 的值代进去就行。

(1) 3π2\dfrac{3\pi}2 在虚轴负方向,cos⁡3π2=0\cos\dfrac{3\pi}2=0、sin⁡3π2=−1\sin\dfrac{3\pi}2=-1:

6(cos⁡3π2+isin⁡3π2)=6(0−i)=−6i6\left(\cos\frac{3\pi}2+\mathrm i\sin\frac{3\pi}2\right)=6(0-\mathrm i)=-6\mathrm i

(2) 5π3\dfrac{5\pi}3 在第四象限,cos⁡5π3=12\cos\dfrac{5\pi}3=\dfrac12、sin⁡5π3=−32\sin\dfrac{5\pi}3=-\dfrac{\sqrt3}2:

2(cos⁡5π3+isin⁡5π3)=2(12−32i)=1−3 i2\left(\cos\frac{5\pi}3+\mathrm i\sin\frac{5\pi}3\right) =2\left(\frac12-\frac{\sqrt3}2\mathrm i\right)=1-\sqrt3\,\mathrm i

练习(第 89 页)第 1 题

  1. 计算:

(1) 8(cos⁡π6+isin⁡π6)×2(cos⁡π4+isin⁡π4)8\left(\cos\frac{\pi}{6}+\mathrm{i}\sin\frac{\pi}{6}\right)\times2\left(\cos\frac{\pi}{4}+\mathrm{i}\sin\frac{\pi}{4}\right) ;

(2) 2(cos⁡4π3+isin⁡4π3)×4(cos⁡5π6+isin⁡5π6)2\left(\cos\frac{4\pi}{3}+\mathrm{i}\sin\frac{4\pi}{3}\right)\times4\left(\cos\frac{5\pi}{6}+\mathrm{i}\sin\frac{5\pi}{6}\right) ;

(3) 2\sqrt{2} ( cos⁡240∘+isin⁡240∘\cos 240^{\circ} + \mathrm{i}\sin 240^{\circ} ) ×32\times \frac{\sqrt{3}}{2} ( cos⁡60∘+isin⁡60∘\cos 60^{\circ} + \mathrm{i}\sin 60^{\circ} );

(4) 3(cos⁡18∘+isin⁡18∘)×2(cos⁡54∘+isin⁡54∘)×5(cos⁡108∘+isin⁡108∘).3(\cos 18^{\circ} + \mathrm{i}\sin 18^{\circ})\times 2(\cos 54^{\circ} + \mathrm{i}\sin 54^{\circ})\times 5(\cos 108^{\circ} + \mathrm{i}\sin 108^{\circ}).

四道全是乘法,模相乘、辐角相加,唯一要留神的是主值。

(1) 模 8×2=168\times 2=16,辐角 π6+π4=2π+3π12=5π12\dfrac\pi6+\dfrac\pi4=\dfrac{2\pi+3\pi}{12}=\dfrac{5\pi}{12},落在主值区间里:

16(cos⁡5π12+isin⁡5π12)16\left(\cos\frac{5\pi}{12}+\mathrm i\sin\frac{5\pi}{12}\right)

(2) 模 2×4=82\times 4=8,辐角 4π3+5π6=8π+5π6=13π6\dfrac{4\pi}3+\dfrac{5\pi}6=\dfrac{8\pi+5\pi}{6}=\dfrac{13\pi}6。 这个角超过了 2π2\pi,要减一个 2π2\pi 调回主值:13π6−2π=π6\dfrac{13\pi}6-2\pi=\dfrac\pi6。

8(cos⁡π6+isin⁡π6)=8(32+12i)=43+4i8\left(\cos\frac\pi6+\mathrm i\sin\frac\pi6\right)=8\left(\frac{\sqrt3}2+\frac12\mathrm i\right)=4\sqrt3+4\mathrm i

(3) 模 2×32=62\sqrt2\times\dfrac{\sqrt3}2=\dfrac{\sqrt6}2,辐角 240∘+60∘=300∘240^\circ+60^\circ=300^\circ:

62(cos⁡300∘+isin⁡300∘)=62(12−32i)=64−324i\frac{\sqrt6}2\left(\cos 300^\circ+\mathrm i\sin 300^\circ\right) =\frac{\sqrt6}2\left(\frac12-\frac{\sqrt3}2\mathrm i\right)=\frac{\sqrt6}4-\frac{3\sqrt2}4\mathrm i

(62⋅32=184=324\dfrac{\sqrt6}2\cdot\dfrac{\sqrt3}2=\dfrac{\sqrt{18}}4=\dfrac{3\sqrt2}4。)

(4) 三个因子相乘,法则照样适用:模 3×2×5=303\times 2\times 5=30, 辐角 18∘+54∘+108∘=180∘18^\circ+54^\circ+108^\circ=180^\circ:

30(cos⁡180∘+isin⁡180∘)=30(−1+0)=−3030\left(\cos 180^\circ+\mathrm i\sin 180^\circ\right)=30(-1+0)= -30

第 (4) 小题是本题的设计亮点:三个角加起来正好 180∘180^\circ, 所以结果落在实轴负半轴上,是一个实数。

用代数形式硬乘要展开八项,换成三角形式只需要把三个角加一次。

练习(第 89 页)第 2 题

  1. 计算:

(1) 12(cos⁡7π4+isin⁡7π4)÷[6(cos⁡2π3+isin⁡2π3)]12\left(\cos\frac{7\pi}{4}+\mathrm{i}\sin\frac{7\pi}{4}\right)\div\left[6\left(\cos\frac{2\pi}{3}+\mathrm{i}\sin\frac{2\pi}{3}\right)\right];

(2) 3(cos⁡150∘+isin⁡150∘)÷[2(cos⁡225∘+isin⁡225∘)]\sqrt{3} (\cos 150^{\circ} + \mathrm{i}\sin 150^{\circ})\div [\sqrt{2} (\cos 225^{\circ} + \mathrm{i}\sin 225^{\circ})];

(3) 2÷(cos⁡π4+isin⁡π4)2\div\left(\cos\frac{\pi}{4}+\mathrm{i}\sin\frac{\pi}{4}\right) ;

−i÷[2(cos⁡120∘+isin⁡120∘)].(4)- \mathrm{i} \div [ 2 (\cos 1 2 0 ^ {\circ} + \mathrm{i} \sin 1 2 0 ^ {\circ}) ]. \tag {4}

四道全是除法,模相除、辐角相减。

(1) 模 126=2\dfrac{12}6=2,辐角 7π4−2π3=21π−8π12=13π12\dfrac{7\pi}4-\dfrac{2\pi}3=\dfrac{21\pi-8\pi}{12}=\dfrac{13\pi}{12}:

2(cos⁡13π12+isin⁡13π12)2\left(\cos\frac{13\pi}{12}+\mathrm i\sin\frac{13\pi}{12}\right)

13π12\dfrac{13\pi}{12} 已在 [0,2π)[0,2\pi) 内,不必调整;这个角不是特殊角,保留三角形式即可。

(2) 模 32=62\dfrac{\sqrt3}{\sqrt2}=\dfrac{\sqrt6}2,辐角 150∘−225∘=−75∘150^\circ-225^\circ=-75^\circ。 差是负的,加 360∘360^\circ 调回主值得 285∘285^\circ:

62(cos⁡285∘+isin⁡285∘)\frac{\sqrt6}2\left(\cos 285^\circ+\mathrm i\sin 285^\circ\right)

(3) 被除数 22 是正实数,先补成三角形式 2(cos⁡0+isin⁡0)2(\cos 0+\mathrm i\sin 0)。 模 21=2\dfrac21=2,辐角 0−π4=−π40-\dfrac\pi4=-\dfrac\pi4:

2[cos⁡(−π4)+isin⁡(−π4)]=2(22−22i)=2−2 i2\left[\cos\left(-\frac\pi4\right)+\mathrm i\sin\left(-\frac\pi4\right)\right] =2\left(\frac{\sqrt2}2-\frac{\sqrt2}2\mathrm i\right)=\sqrt2-\sqrt2\,\mathrm i

“把实数补成三角形式”这一步不能跳,否则辐角无从谈起。

(4) 被除数 −i-\mathrm i 的模是 11、辐角是 270∘270^\circ。 模 12\dfrac12,辐角 270∘−120∘=150∘270^\circ-120^\circ=150^\circ:

12(cos⁡150∘+isin⁡150∘)=12(−32+12i)=−34+14i\frac12\left(\cos 150^\circ+\mathrm i\sin 150^\circ\right) =\frac12\left(-\frac{\sqrt3}2+\frac12\mathrm i\right)=-\frac{\sqrt3}4+\frac14\mathrm i

练习(第 89 页)第 3 题

  1. 在复平面内,把与复数 3−3i3 - \sqrt{3}\mathrm{i} 对应的向量绕原点 OO 按顺时针方向旋转 60∘60^{\circ},求与所得的向量对应的复数(用代数形式表示).

“绕原点顺时针旋转 60∘60^\circ“翻译成复数运算,就是乘以

cos⁡(−60∘)+isin⁡(−60∘)=12−32i\cos(-60^\circ)+\mathrm i\sin(-60^\circ)=\frac12-\frac{\sqrt3}2\mathrm i

模是 11,所以只转不伸缩。直接算:

(3−3 i)(12−32i)=32−332i−32i+32i2(3-\sqrt3\,\mathrm i)\left(\frac12-\frac{\sqrt3}2\mathrm i\right) =\frac32-\frac{3\sqrt3}2\mathrm i-\frac{\sqrt3}2\mathrm i+\frac{3}{2}\mathrm i^2

=32−32−432i=−23 i=\frac32-\frac32-\frac{4\sqrt3}2\mathrm i=-2\sqrt3\,\mathrm i

−23 i\boxed{-2\sqrt3\,\mathrm i}

换三角形式核对

3−3 i3-\sqrt3\,\mathrm i 的模是 9+3=23\sqrt{9+3}=2\sqrt3, cos⁡θ=323=32\cos\theta=\dfrac3{2\sqrt3}=\dfrac{\sqrt3}2、sin⁡θ=−323=−12\sin\theta=-\dfrac{\sqrt3}{2\sqrt3}=-\dfrac12, 所以 θ=−π6\theta=-\dfrac\pi6。顺时针再转 π3\dfrac\pi3,辐角变成 −π2-\dfrac\pi2:

23[cos⁡(−π2)+isin⁡(−π2)]=−23 i2\sqrt3\left[\cos\left(-\frac\pi2\right)+\mathrm i\sin\left(-\frac\pi2\right)\right]=-2\sqrt3\,\mathrm i

两条路一致。结果落在虚轴负半轴上,说明这个向量恰好被转到了竖直向下的方向, 和”原辐角 −30∘-30^\circ 再减 60∘60^\circ 得 −90∘-90^\circ“对得上。

习题 7.3 复习巩固 第 1 题

  1. 画出下列复数对应的向量,并把这些复数表示成三角形式:

(1) 6;

(2) 1+i;1+i;

(3) 1−3i;1-\sqrt{3}i;

(4) −32+12i.-\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{1}{2} \mathrm{i}.

和练习第 1 题同一套动作,仍然是先定模、再由 cos⁡θ\cos\theta 与 sin⁡θ\sin\theta 联合定辐角。

复数向量指向rrθ\theta(主值)三角形式
66实轴正方向66006(cos⁡0+isin⁡0)6(\cos 0+\mathrm i\sin 0)
1+i1+\mathrm i第一象限2\sqrt2π4\dfrac\pi42(cos⁡π4+isin⁡π4)\sqrt2\left(\cos\dfrac\pi4+\mathrm i\sin\dfrac\pi4\right)
1−3 i1-\sqrt3\,\mathrm i第四象限225π3\dfrac{5\pi}32(cos⁡5π3+isin⁡5π3)2\left(\cos\dfrac{5\pi}3+\mathrm i\sin\dfrac{5\pi}3\right)
−32+12i-\dfrac{\sqrt3}2+\dfrac12\mathrm i第二象限115π6\dfrac{5\pi}6cos⁡5π6+isin⁡5π6\cos\dfrac{5\pi}6+\mathrm i\sin\dfrac{5\pi}6

第 (3) 小题是最容易写错象限的一个:tan⁡θ=−3\tan\theta=-\sqrt3 对应 θ=−π3\theta=-\dfrac\pi3 或 2π3\dfrac{2\pi}3, 但 cos⁡θ=12>0\cos\theta=\dfrac12>0 说明在右半平面,sin⁡θ=−32<0\sin\theta=-\dfrac{\sqrt3}2<0 说明在下半平面, 两条一起定在第四象限,主值取 5π3\dfrac{5\pi}3。

习题 7.3 复习巩固 第 2 题

  1. 把下列复数表示成代数形式:

(1) 32(cos⁡π4+isin⁡π4)3\sqrt{2}\left(\cos\frac{\pi}{4}+\mathrm{i}\sin\frac{\pi}{4}\right) ;

(2) 8(cos⁡11π6+isin⁡11π6)8\left(\cos\frac{11\pi}{6}+\mathrm{i}\sin\frac{11\pi}{6}\right) ;

(3) 9(cos⁡π+isin⁡π)9(\cos \pi + \mathrm{i} \sin \pi) ;

(4) 6(cos⁡4π3+isin⁡4π3)6\left(\cos\frac{4\pi}{3}+\mathrm{i}\sin\frac{4\pi}{3}\right) .

代回 cos⁡θ\cos\theta、sin⁡θ\sin\theta 的值即可。

32(cos⁡π4+isin⁡π4)=32(22+22i)=3+3i3\sqrt2\left(\cos\frac\pi4+\mathrm i\sin\frac\pi4\right) =3\sqrt2\left(\frac{\sqrt2}2+\frac{\sqrt2}2\mathrm i\right)=3+3\mathrm i 8(cos⁡11π6+isin⁡11π6)=8(32−12i)=43−4i8\left(\cos\frac{11\pi}6+\mathrm i\sin\frac{11\pi}6\right) =8\left(\frac{\sqrt3}2-\frac12\mathrm i\right)=4\sqrt3-4\mathrm i

9(cos⁡π+isin⁡π)=9(−1+0)=−99(\cos\pi+\mathrm i\sin\pi)=9(-1+0)=-9

6(cos⁡4π3+isin⁡4π3)=6(−12−32i)=−3−33 i6\left(\cos\frac{4\pi}3+\mathrm i\sin\frac{4\pi}3\right) =6\left(-\frac12-\frac{\sqrt3}2\mathrm i\right)=-3-3\sqrt3\,\mathrm i

四个结果分落四种位置:第一象限、第四象限、实轴负半轴、第三象限, 正好和四个辐角所在的位置一一对应。算完对一眼象限,是最省事的自检。

习题 7.3 复习巩固 第 3 题

  1. 计算:

(1) 3(cos⁡π3+isin⁡π3)×3(cos⁡π6+isin⁡π6)3\left(\cos \frac{\pi}{3} + \mathrm{i}\sin \frac{\pi}{3}\right) \times 3\left(\cos \frac{\pi}{6} + \mathrm{i}\sin \frac{\pi}{6}\right);

(2) 10(cos⁡π2+isin⁡π2)×2(cos⁡π4+isin⁡π4)\sqrt{10}\left(\cos \frac{\pi}{2} + \mathrm{i}\sin \frac{\pi}{2}\right) \times \sqrt{2}\left(\cos \frac{\pi}{4} + \mathrm{i}\sin \frac{\pi}{4}\right);

(3) 10(cos⁡2π3+isin⁡2π3)÷[5(cos⁡π3+isin⁡π3)]10\left(\cos \frac{2\pi}{3} + \mathrm{i}\sin \frac{2\pi}{3}\right) \div \left[5\left(\cos \frac{\pi}{3} + \mathrm{i}\sin \frac{\pi}{3}\right)\right];

(4) 12(cos⁡3π2+isin⁡3π2)÷[6(cos⁡π6+isin⁡π6)].12\left(\cos \frac{3\pi}{2} + \mathrm{i}\sin \frac{3\pi}{2}\right) \div \left[6\left(\cos \frac{\pi}{6} + \mathrm{i}\sin \frac{\pi}{6}\right)\right].

前两小题是乘法,后两小题是除法。

(1) 模 3×3=93\times 3=9,辐角 π3+π6=π2\dfrac\pi3+\dfrac\pi6=\dfrac\pi2:

9(cos⁡π2+isin⁡π2)=9i9\left(\cos\frac\pi2+\mathrm i\sin\frac\pi2\right)=9\mathrm i

(2) 模 10×2=20=25\sqrt{10}\times\sqrt2=\sqrt{20}=2\sqrt5,辐角 π2+π4=3π4\dfrac\pi2+\dfrac\pi4=\dfrac{3\pi}4:

25(−22+22i)=−10+10 i2\sqrt5\left(-\frac{\sqrt2}2+\frac{\sqrt2}2\mathrm i\right)=-\sqrt{10}+\sqrt{10}\,\mathrm i

(3) 模 105=2\dfrac{10}5=2,辐角 2π3−π3=π3\dfrac{2\pi}3-\dfrac\pi3=\dfrac\pi3:

2(12+32i)=1+3 i2\left(\frac12+\frac{\sqrt3}2\mathrm i\right)=1+\sqrt3\,\mathrm i

(4) 模 126=2\dfrac{12}6=2,辐角 3π2−π6=9π−π6=4π3\dfrac{3\pi}2-\dfrac\pi6=\dfrac{9\pi-\pi}6=\dfrac{4\pi}3:

2(−12−32i)=−1−3 i2\left(-\frac12-\frac{\sqrt3}2\mathrm i\right)=-1-\sqrt3\,\mathrm i

习题 7.3 复习巩固 第 4 题

  1. 计算下列各式,并作出几何解释:

(1) 2(cos⁡2π3+isin⁡2π3)×22(cos⁡π3+isin⁡π3)\sqrt{2}\left(\cos \frac{2\pi}{3} + \mathrm{i}\sin \frac{2\pi}{3}\right) \times 2\sqrt{2}\left(\cos \frac{\pi}{3} + \mathrm{i}\sin \frac{\pi}{3}\right);

(2) 2(cos⁡75∘+isin⁡75∘)×(12−12i)2(\cos 75^{\circ} + \mathrm{i}\sin 75^{\circ}) \times \left(\frac{1}{2} - \frac{1}{2}\mathrm{i}\right);

(3) 4(cos⁡300∘+isin⁡300∘)÷[2(cos⁡3π4+isin⁡3π4)];4(\cos 300^{\circ} + \mathrm{i}\sin 300^{\circ})\div \left[\sqrt{2}\left(\cos \frac{3\pi}{4} +\mathrm{i}\sin \frac{3\pi}{4}\right)\right];

(4) (−12+32i)÷[2(cos⁡π3+isin⁡π3)].\left(-\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2} \mathrm{i}\right) \div \left[2 \left(\cos \frac{\pi}{3} + \mathrm{i} \sin \frac{\pi}{3}\right)\right].

这道题多要一句几何解释,所以每小题都按”转多少、伸缩多少”来说。

(1) 模 2×22=4\sqrt2\times 2\sqrt2=4,辐角 2π3+π3=π\dfrac{2\pi}3+\dfrac\pi3=\pi:

4(cos⁡π+isin⁡π)=−44(\cos\pi+\mathrm i\sin\pi)=-4

几何解释:把与 2(cos⁡2π3+isin⁡2π3)\sqrt2\left(\cos\dfrac{2\pi}3+\mathrm i\sin\dfrac{2\pi}3\right) 对应的向量 绕 OO 逆时针转 π3\dfrac\pi3,再把模拉长到原来的 222\sqrt2 倍, 得到一个模为 44、辐角为 π\pi 的向量,即实轴负方向长 44 的向量。

(2) 第二个因子不是三角形式,先化:12−12i\dfrac12-\dfrac12\mathrm i 的模是 14+14=22\sqrt{\dfrac14+\dfrac14}=\dfrac{\sqrt2}2,辐角是 −45∘-45^\circ。于是模 2×22=22\times\dfrac{\sqrt2}2=\sqrt2,辐角 75∘−45∘=30∘75^\circ-45^\circ=30^\circ:

2(cos⁡30∘+isin⁡30∘)=2(32+12i)=62+22i\sqrt2\left(\cos 30^\circ+\mathrm i\sin 30^\circ\right) =\sqrt2\left(\frac{\sqrt3}2+\frac12\mathrm i\right)=\frac{\sqrt6}2+\frac{\sqrt2}2\mathrm i

几何解释:把第一个向量绕 OO 顺时针转 45∘45^\circ,再把模变为原来的 22\dfrac{\sqrt2}2 倍。 乘一个辐角为负的复数,方向就是顺时针。

(3) 除法。3π4=135∘\dfrac{3\pi}4=135^\circ,模 42=22\dfrac4{\sqrt2}=2\sqrt2, 辐角 300∘−135∘=165∘300^\circ-135^\circ=165^\circ:

22(cos⁡165∘+isin⁡165∘)2\sqrt2\left(\cos 165^\circ+\mathrm i\sin 165^\circ\right)

165∘165^\circ 不是特殊角,但 165∘=180∘−15∘165^\circ=180^\circ-15^\circ,可以用 15∘15^\circ 的值展开:

cos⁡165∘=−6+24,sin⁡165∘=6−24\cos 165^\circ=-\frac{\sqrt6+\sqrt2}4,\qquad \sin 165^\circ=\frac{\sqrt6-\sqrt2}4

22⋅(−6+24)=−(3+1),22⋅6−24=3−12\sqrt2\cdot\left(-\frac{\sqrt6+\sqrt2}4\right)=-(\sqrt3+1),\qquad 2\sqrt2\cdot\frac{\sqrt6-\sqrt2}4=\sqrt3-1

−(1+3)+(3−1)i-(1+\sqrt3)+(\sqrt3-1)\mathrm i

几何解释:把被除数向量绕 OO 顺时针转 3π4\dfrac{3\pi}4,再把模变为原来的 12\dfrac1{\sqrt2} 倍。

(4) 被除数 −12+32i-\dfrac12+\dfrac{\sqrt3}2\mathrm i 的模是 11、辐角是 2π3\dfrac{2\pi}3。 模 12\dfrac12,辐角 2π3−π3=π3\dfrac{2\pi}3-\dfrac\pi3=\dfrac\pi3:

12(cos⁡π3+isin⁡π3)=12(12+32i)=14+34i\frac12\left(\cos\frac\pi3+\mathrm i\sin\frac\pi3\right) =\frac12\left(\frac12+\frac{\sqrt3}2\mathrm i\right)=\frac14+\frac{\sqrt3}4\mathrm i

几何解释:把被除数向量顺时针转 π3\dfrac\pi3,模缩为原来的一半。

习题 7.3 综合运用 第 5 题

5.(1)求证 1cos⁡θ+isin⁡θ=cos⁡θ−isin⁡θ;\frac{1}{\cos\theta + \mathrm{i}\sin\theta} = \cos \theta - \mathrm{i}\sin \theta;

(2) 写出下列复数 z 的倒数 1z\frac{1}{z} 的模与辐角:

z=4(cos⁡π12+isin⁡π12),z=cos⁡π6−isin⁡π6,z=22(1−i).z = 4 \Big (\cos \frac {\pi}{1 2} + \mathrm{i} \sin \frac {\pi}{1 2} \Big), \quad z = \cos \frac {\pi}{6} - \mathrm{i} \sin \frac {\pi}{6}, \quad z = \frac {\sqrt {2}}{2} (1 - \mathrm{i}).

(1) 证明

11 的模是 11、辐角是 00,即 1=cos⁡0+isin⁡01=\cos 0+\mathrm i\sin 0。 cos⁡θ+isin⁡θ\cos\theta+\mathrm i\sin\theta 的模是 11、辐角是 θ\theta。按除法的三角表示:

1cos⁡θ+isin⁡θ=11[cos⁡(0−θ)+isin⁡(0−θ)]=cos⁡θ−isin⁡θ\frac{1}{\cos\theta+\mathrm i\sin\theta} =\frac11\left[\cos(0-\theta)+\mathrm i\sin(0-\theta)\right] =\cos\theta-\mathrm i\sin\theta

最后一步用了 cos⁡(−θ)=cos⁡θ\cos(-\theta)=\cos\theta、sin⁡(−θ)=−sin⁡θ\sin(-\theta)=-\sin\theta。证毕。

另一条路(代数形式):分母有理化,

1cos⁡θ+isin⁡θ=cos⁡θ−isin⁡θ(cos⁡θ+isin⁡θ)(cos⁡θ−isin⁡θ)=cos⁡θ−isin⁡θcos⁡2θ+sin⁡2θ=cos⁡θ−isin⁡θ\frac{1}{\cos\theta+\mathrm i\sin\theta} =\frac{\cos\theta-\mathrm i\sin\theta}{(\cos\theta+\mathrm i\sin\theta)(\cos\theta-\mathrm i\sin\theta)} =\frac{\cos\theta-\mathrm i\sin\theta}{\cos^2\theta+\sin^2\theta}=\cos\theta-\mathrm i\sin\theta

这条路顺带说明了一件事:模为 11 的复数,倒数就等于它的共轭。

(2) 三个倒数的模与辐角

一般结论:若 z=r(cos⁡θ+isin⁡θ)z=r(\cos\theta+\mathrm i\sin\theta)(r>0r>0),则

1z=1r[cos⁡(−θ)+isin⁡(−θ)]\frac1z=\frac1r\left[\cos(-\theta)+\mathrm i\sin(-\theta)\right]

即倒数的模是原模的倒数,辐角是原辐角的相反数。逐个用:

zzzz 的模zz 的辐角1z\dfrac1z 的模1z\dfrac1z 的辐角
4(cos⁡π12+isin⁡π12)4\left(\cos\dfrac\pi{12}+\mathrm i\sin\dfrac\pi{12}\right)44π12\dfrac\pi{12}14\dfrac14−π12-\dfrac\pi{12}(主值 23π12\dfrac{23\pi}{12})
cos⁡π6−isin⁡π6\cos\dfrac\pi6-\mathrm i\sin\dfrac\pi611−π6-\dfrac\pi611π6\dfrac\pi6
22(1−i)\dfrac{\sqrt2}2(1-\mathrm i)11−π4-\dfrac\pi4(主值 7π4\dfrac{7\pi}4)11π4\dfrac\pi4

中间那个 zz 是本题的陷阱:cos⁡π6−isin⁡π6\cos\dfrac\pi6-\mathrm i\sin\dfrac\pi6 不是三角形式, 它的辐角不是 π6\dfrac\pi6 而是 −π6-\dfrac\pi6。先化标准形,再套公式。

第三个 zz 的模要算一下:∣22(1−i)∣=22⋅2=1\left|\dfrac{\sqrt2}2(1-\mathrm i)\right| =\dfrac{\sqrt2}2\cdot\sqrt2=1,所以它也在单位圆上。

习题 7.3 综合运用 第 6 题

  1. 求证:

(1) (cos⁡75∘+isin⁡75∘)(cos⁡15∘+isin⁡15∘)=i(\cos 75^{\circ} + \mathrm{i}\sin 75^{\circ})(\cos 15^{\circ} + \mathrm{i}\sin 15^{\circ}) = \mathrm{i};

(cos⁡3θ−isin⁡3θ)(cos⁡2θ−isin⁡2θ)=cos⁡5θ−isin⁡5θ.(2)(\cos 3 \theta - \mathrm{i} \sin 3 \theta) (\cos 2 \theta - \mathrm{i} \sin 2 \theta) = \cos 5 \theta - \mathrm{i} \sin 5 \theta . \tag {2}

(1) 两个因子都是标准三角形式,模都是 11,直接用乘法法则:

(cos⁡75∘+isin⁡75∘)(cos⁡15∘+isin⁡15∘)=cos⁡90∘+isin⁡90∘=0+i=i(\cos 75^\circ+\mathrm i\sin 75^\circ)(\cos 15^\circ+\mathrm i\sin 15^\circ) =\cos 90^\circ+\mathrm i\sin 90^\circ=0+\mathrm i=\mathrm i

证毕。75∘+15∘=90∘75^\circ+15^\circ=90^\circ 是这道题的全部内容, 用代数形式硬乘则要用到 cos⁡75∘\cos75^\circ、sin⁡75∘\sin75^\circ 的具体值,麻烦得多。

(2) 两个因子都是减号,先各自化成标准形:

cos⁡3θ−isin⁡3θ=cos⁡(−3θ)+isin⁡(−3θ)\cos 3\theta-\mathrm i\sin 3\theta=\cos(-3\theta)+\mathrm i\sin(-3\theta)

cos⁡2θ−isin⁡2θ=cos⁡(−2θ)+isin⁡(−2θ)\cos 2\theta-\mathrm i\sin 2\theta=\cos(-2\theta)+\mathrm i\sin(-2\theta)

模都是 11,辐角相加得 −5θ-5\theta:

cos⁡(−5θ)+isin⁡(−5θ)=cos⁡5θ−isin⁡5θ\cos(-5\theta)+\mathrm i\sin(-5\theta)=\cos 5\theta-\mathrm i\sin 5\theta

证毕。

这条结论可以记成一句话:形如 cos⁡α−isin⁡α\cos\alpha-\mathrm i\sin\alpha 的因子相乘,角也照样相加,只是全程带着那个负号。

习题 7.3 综合运用 第 7 题

  1. 化简:

(1) (cos⁡7θ+isin⁡7θ)(cos⁡2θ+isin⁡2θ)(cos⁡5θ+isin⁡5θ)(cos⁡3θ+isin⁡3θ)\frac{(\cos 7\theta + \mathrm{i}\sin 7\theta)(\cos 2\theta + \mathrm{i}\sin 2\theta)}{(\cos 5\theta + \mathrm{i}\sin 5\theta)(\cos 3\theta + \mathrm{i}\sin 3\theta)};

(2) cos⁡φ−isin⁡φcos⁡φ+isin⁡φ.\frac{\cos\varphi - \mathrm{i}\sin\varphi}{\cos\varphi + \mathrm{i}\sin\varphi}.

(1) 分子分母各自先合并:

分子=cos⁡(7θ+2θ)+isin⁡(7θ+2θ)=cos⁡9θ+isin⁡9θ\text{分子}=\cos(7\theta+2\theta)+\mathrm i\sin(7\theta+2\theta)=\cos 9\theta+\mathrm i\sin 9\theta

分母=cos⁡(5θ+3θ)+isin⁡(5θ+3θ)=cos⁡8θ+isin⁡8θ\text{分母}=\cos(5\theta+3\theta)+\mathrm i\sin(5\theta+3\theta)=\cos 8\theta+\mathrm i\sin 8\theta

再相除,辐角相减:

cos⁡(9θ−8θ)+isin⁡(9θ−8θ)=cos⁡θ+isin⁡θ\cos(9\theta-8\theta)+\mathrm i\sin(9\theta-8\theta)=\cos\theta+\mathrm i\sin\theta

(2) 分子不是标准形,先化:cos⁡φ−isin⁡φ=cos⁡(−φ)+isin⁡(−φ)\cos\varphi-\mathrm i\sin\varphi=\cos(-\varphi)+\mathrm i\sin(-\varphi)。 模都是 11,辐角相减:

cos⁡(−φ−φ)+isin⁡(−φ−φ)=cos⁡2φ−isin⁡2φ\cos(-\varphi-\varphi)+\mathrm i\sin(-\varphi-\varphi)=\cos 2\varphi-\mathrm i\sin 2\varphi

两小题合起来说明一个规律:所有因子的模都是 11 时, 整个式子的值只由辐角的代数和决定——分子上的角取正,分母上的角取负,加起来就是答案的辐角。

习题 7.3 综合运用 第 8 题

  1. 设 z=3−iz = \sqrt{3} - \mathrm{i} 对应的向量为 OZ→\overrightarrow{OZ},将 OZ→\overrightarrow{OZ} 绕点 OO 按逆时针方向和顺时针方向分别旋转 45∘45^{\circ} 和 60∘60^{\circ},求所得向量对应的复数(用代数形式表示).

z=3−iz=\sqrt3-\mathrm i 的模是 3+1=2\sqrt{3+1}=2, cos⁡θ=32\cos\theta=\dfrac{\sqrt3}2、sin⁡θ=−12\sin\theta=-\dfrac12,所以辐角是 −π6-\dfrac\pi6(即 −30∘-30^\circ)。

逆时针旋转 45∘45^\circ

模不变仍是 22,辐角变成 −30∘+45∘=15∘-30^\circ+45^\circ=15^\circ:

2(cos⁡15∘+isin⁡15∘)=2(6+24+6−24i)=6+22+6−22i2(\cos 15^\circ+\mathrm i\sin 15^\circ) =2\left(\frac{\sqrt6+\sqrt2}4+\frac{\sqrt6-\sqrt2}4\mathrm i\right) =\frac{\sqrt6+\sqrt2}2+\frac{\sqrt6-\sqrt2}2\mathrm i

也可以直接乘:(3−i)⋅22(1+i)=22[(3+1)+(3−1)i](\sqrt3-\mathrm i)\cdot\dfrac{\sqrt2}2(1+\mathrm i) =\dfrac{\sqrt2}2\left[(\sqrt3+1)+(\sqrt3-1)\mathrm i\right],结果相同。

顺时针旋转 60∘60^\circ

辐角变成 −30∘−60∘=−90∘-30^\circ-60^\circ=-90^\circ:

2[cos⁡(−90∘)+isin⁡(−90∘)]=2(0−i)=−2i2\left[\cos(-90^\circ)+\mathrm i\sin(-90^\circ)\right]=2(0-\mathrm i)=-2\mathrm i

这个结果特别干净,值得用代数形式验一遍:

(3−i)(12−32i)=32−32i−12i+32i2=(32−32)−2i=−2i(\sqrt3-\mathrm i)\left(\frac12-\frac{\sqrt3}2\mathrm i\right) =\frac{\sqrt3}2-\frac32\mathrm i-\frac12\mathrm i+\frac{\sqrt3}2\mathrm i^2 =\left(\frac{\sqrt3}2-\frac{\sqrt3}2\right)-2\mathrm i=-2\mathrm i

两条路一致。

原辐角是 −30∘-30^\circ,再顺时针 60∘60^\circ 正好转到竖直向下,所以结果一定是纯虚数且虚部为负。 这一步在动笔之前就能预判。

习题 7.3 拓广探索 第 9 题

  1. 如下页图,复平面内的 △ABC\triangle ABC 是等边三角形,它的两个顶点 A,BA, B 的坐标分别为(1,0),(2,1),求点 CC 的坐标.

(第9题)

思路:等边三角形的第三个顶点,就是把一个顶点绕另一个顶点旋转 ±60∘\pm 60^\circ 得到的。 用复数说,就是把向量 AB→\overrightarrow{AB} 绕 AA 旋转 ±60∘\pm 60^\circ。

AA、BB 对应的复数分别是 11 和 2+i2+\mathrm i,所以

AB→ 对应 (2+i)−1=1+i\overrightarrow{AB}\ \text{对应}\ (2+\mathrm i)-1=1+\mathrm i

顺时针旋转 60∘60^\circ(与图形一致的那一个)

(1+i)(12−32i)=12−32i+12i−32i2=1+32+1−32i(1+\mathrm i)\left(\frac12-\frac{\sqrt3}2\mathrm i\right) =\frac12-\frac{\sqrt3}2\mathrm i+\frac12\mathrm i-\frac{\sqrt3}2\mathrm i^2 =\frac{1+\sqrt3}2+\frac{1-\sqrt3}2\mathrm i

再把起点搬回 AA:

C=1+1+32+1−32i=3+32+1−32iC=1+\frac{1+\sqrt3}2+\frac{1-\sqrt3}2\mathrm i=\frac{3+\sqrt3}2+\frac{1-\sqrt3}2\mathrm i

C(3+32, 1−32)\boxed{C\left(\frac{3+\sqrt3}2,\ \frac{1-\sqrt3}2\right)}

1−32≈−0.37<0\dfrac{1-\sqrt3}2\approx-0.37<0,点在实轴下方。

这与图完全对得上。 照着扫描页把图上能看到的三件事列出来: AA 是三角形与实轴的交点,在原点右侧的实轴正半轴上; BB 在第一象限,位于 AA 的右上方; CC 的标注在实轴下方,且横坐标比 BB 还靠右一点。 本解算出的 C≈(2.37, −0.37)C\approx(2.37,\,-0.37) 三条都满足, 而下面那个 C′≈(0.63, 1.37)C'\approx(0.63,\,1.37) 在实轴上方、还在 AA 的左边,与图相反。 换个说法:图中 A→B→CA\to B\to C 是顺时针绕行,正好对应顺时针旋转的那一支。

另一个解

如果改成逆时针旋转 60∘60^\circ,同样得到一个等边三角形:

(1+i)(12+32i)=1−32+1+32i(1+\mathrm i)\left(\frac12+\frac{\sqrt3}2\mathrm i\right)=\frac{1-\sqrt3}2+\frac{1+\sqrt3}2\mathrm i

C′=3−32+1+32iC'=\frac{3-\sqrt3}2+\frac{1+\sqrt3}2\mathrm i

C′≈(0.63, 1.37)C'\approx(0.63,\,1.37),在实轴上方,且落在 AA 的左上方—— 与图中 CC 的位置正好相反,所以它是本题图形之外的那一支。

题面只说”复平面内的 △ABC\triangle ABC 是等边三角形”,单看文字两个解都成立; 是图把 CC 钉在了实轴下方。 答题时把图作为条件用,同时知道另一个解的存在。 如果这道题去掉图,标准答案就该把两个坐标并列写出,缺一个算漏解。

验算

∣AB∣2=12+12=2|AB|^2=1^2+1^2=2。对第一个解,

∣AC∣2=(3+32−1)2+(1−32)2=(1+32)2+(1−32)2=4+234+4−234=2|AC|^2=\left(\frac{3+\sqrt3}2-1\right)^2+\left(\frac{1-\sqrt3}2\right)^2 =\left(\frac{1+\sqrt3}2\right)^2+\left(\frac{1-\sqrt3}2\right)^2 =\frac{4+2\sqrt3}4+\frac{4-2\sqrt3}4=2

与 ∣AB∣2|AB|^2 相等,符合等边。

习题 7.3 拓广探索 第 10 题

  1. 如下页图,已知平面内并列的三个全等的正方形,利用复数证明

∠1+∠2+∠3=π2.\angle 1 + \angle 2 + \angle 3 = \frac {\pi}{2}.

(第10题)

先建系:把三个正方形的边长取作 11,把左下角那个公共顶点取作原点 OO, 底边所在直线取作实轴。这样三条斜线的另一端分别是 (1,1)(1,1)、(2,1)(2,1)、(3,1)(3,1), 对应的复数就是 1+i1+\mathrm i、2+i2+\mathrm i、3+i3+\mathrm i。

由图中的位置关系,∠1\angle 1、∠2\angle 2、∠3\angle 3 分别是这三条斜线与水平方向的夹角 (上边 y=1y=1 与底边 y=0y=0 平行,同位角相等),也就是

∠1=arg⁡(1+i),∠2=arg⁡(2+i),∠3=arg⁡(3+i)\angle 1=\arg(1+\mathrm i),\quad \angle 2=\arg(2+\mathrm i),\quad \angle 3=\arg(3+\mathrm i)

证明

三个辐角之和,就是三个复数之积的辐角。把积算出来:

(1+i)(2+i)=2+i+2i+i2=1+3i(1+\mathrm i)(2+\mathrm i)=2+\mathrm i+2\mathrm i+\mathrm i^2=1+3\mathrm i

(1+3i)(3+i)=3+i+9i+3i2=3−3+10i=10i(1+3\mathrm i)(3+\mathrm i)=3+\mathrm i+9\mathrm i+3\mathrm i^2=3-3+10\mathrm i=10\mathrm i

10i10\mathrm i 是纯虚数且虚部为正,落在虚轴正半轴上,所以

arg⁡[(1+i)(2+i)(3+i)]=π2\arg\left[(1+\mathrm i)(2+\mathrm i)(3+\mathrm i)\right]=\frac\pi2

于是

∠1+∠2+∠3≡π2(mod2π)\angle 1+\angle 2+\angle 3\equiv\frac\pi2\pmod{2\pi}

最后一步要把”模 2π2\pi“这个尾巴收干净:三个角都是锐角 (三条斜线都在第一象限,且 0<arg⁡(k+i)<π20<\arg(k+\mathrm i)<\dfrac\pi2), 所以 0<∠1+∠2+∠3<3π20<\angle 1+\angle 2+\angle 3<\dfrac{3\pi}2, 这个区间里与 π2\dfrac\pi2 相差 2π2\pi 整数倍的只有 π2\dfrac\pi2 本身。因此

∠1+∠2+∠3=π2\angle 1+\angle 2+\angle 3=\frac\pi2

证毕。

这一步不能省:辐角相加只保证”相差 2kπ2k\pi“,要断定等号, 必须先把和的范围框住。这是本节反复强调的同一件事。

顺带看看这三个角具体是多少:∠1=45∘\angle1=45^\circ, ∠2=arctan⁡12≈26.57∘\angle2=\arctan\dfrac12\approx 26.57^\circ,∠3=arctan⁡13≈18.43∘\angle3=\arctan\dfrac13\approx 18.43^\circ, 加起来正好 90∘90^\circ。

用纯几何证明这个恒等式并不容易,换成复数只要算一次乘法。 这就是本节说的”三角表示给乘法带来的便利”。

复习参考题 7 复习巩固 第 1 题

  1. 选择题

(1) 复数 a+bia + bi 与 c+dic + di 的积是实数的充要条件是(). (A) ad+bc=0ad + bc = 0 (B) ac+bd=0ac + bd = 0 (C) ac = bd (D) ad = bc

(2) 复数 5i−2\frac{5}{\mathrm{i} - 2} 的共轭复数是(). (A) i+2\mathrm{i} + 2 (B) i−2\mathrm{i} - 2 (C) −2−i-2 - \mathrm{i} (D) 2−i2 - \mathrm{i}(3) 当 23<m<1\frac{2}{3} < m < 1 时, 复数 m(3+i)−(2+i)m(3 + \mathrm{i}) - (2 + \mathrm{i}) 在复平面内对应的点位于 ( ). (A) 第一象限 (B) 第二象限 (C) 第三象限 (D) 第四象限

*(4) 复数 sin⁡40∘\sin 40^{\circ} —icos 40∘40^{\circ} 的辐角主值是(). (A) 40∘40^{\circ} (B) 140∘140^{\circ} (C) 220∘220^{\circ} (D) 310∘310^{\circ}

(第 (4) 小题的转写里 −icos⁡40∘-\mathrm i\cos 40^\circ 被 OCR 成了”—icos”, 按扫描页应读作 sin⁡40∘−icos⁡40∘\sin 40^\circ-\mathrm i\cos 40^\circ。)

(1) 选 (A)。 按代数形式展开:

(a+bi)(c+di)=(ac−bd)+(ad+bc)i(a+b\mathrm i)(c+d\mathrm i)=(ac-bd)+(ad+bc)\mathrm i

积是实数当且仅当虚部为零,即 ad+bc=0ad+bc=0。 (B) 弄反了实部与虚部的组合,(C)(D) 是把加号写成了等号,都不对。

(2) 选 (B)。 先把 5i−2\dfrac5{\mathrm i-2} 化简。注意 i−2=−2+i\mathrm i-2=-2+\mathrm i, 分母有理化时乘以它的共轭 −2−i-2-\mathrm i:

5−2+i=5(−2−i)(−2)2+12=5(−2−i)5=−2−i\frac{5}{-2+\mathrm i}=\frac{5(-2-\mathrm i)}{(-2)^2+1^2}=\frac{5(-2-\mathrm i)}5=-2-\mathrm i

它的共轭复数是 −2+i-2+\mathrm i,也就是 i−2\mathrm i-2。 (C) 是没取共轭就填了,是最容易误选的一项。

(3) 选 (D)。 先整理成代数形式:

m(3+i)−(2+i)=(3m−2)+(m−1)im(3+\mathrm i)-(2+\mathrm i)=(3m-2)+(m-1)\mathrm i

由 23<m<1\dfrac23<m<1 得 3m∈(2,3)3m\in(2,3),所以实部 3m−2∈(0,1)3m-2\in(0,1) 为正; 又 m−1∈(−13,0)m-1\in\left(-\dfrac13,0\right),虚部为负。正实部、负虚部即第四象限。

(4) 选 (D)。 要把 sin⁡40∘−icos⁡40∘\sin40^\circ-\mathrm i\cos40^\circ 写成 cos⁡θ+isin⁡θ\cos\theta+\mathrm i\sin\theta, 需要同时满足

cos⁡θ=sin⁡40∘,sin⁡θ=−cos⁡40∘\cos\theta=\sin 40^\circ,\qquad \sin\theta=-\cos 40^\circ

用诱导公式:sin⁡40∘=cos⁡50∘\sin40^\circ=\cos 50^\circ,cos⁡40∘=sin⁡50∘\cos40^\circ=\sin 50^\circ,于是

cos⁡θ=cos⁡50∘,sin⁡θ=−sin⁡50∘\cos\theta=\cos 50^\circ,\qquad \sin\theta=-\sin 50^\circ

两式同时成立的是 θ=−50∘\theta=-50^\circ,主值取 −50∘+360∘=310∘-50^\circ+360^\circ=310^\circ。

这道题的坑在于只对一个式子:若只看 cos⁡θ=sin⁡40∘=cos⁡50∘\cos\theta=\sin40^\circ=\cos50^\circ 就填 50∘50^\circ, 或者只看 tan⁡\tan 就填 130∘130^\circ,都会掉进去。辐角必须由 cos⁡\cos、sin⁡\sin 两式联合确定。 另外这个复数的模是 sin⁡240∘+cos⁡240∘=1\sqrt{\sin^240^\circ+\cos^240^\circ}=1,落在单位圆上, 310∘310^\circ 在第四象限,与”实部 sin⁡40∘>0\sin40^\circ>0、虚部 −cos⁡40∘<0-\cos40^\circ<0“一致。

复习参考题 7 复习巩固 第 2 题

2. 填空题

(1)若复数 z 的模为 5,虚部为 -4,则复数 z=____。

(2) 已知复数 z=1-2i,那么 1zˉ=\frac{1}{\bar{z}}= ____.

(3) 复数 6+5i6 + 5i 与 −3+4i-3 + 4i 分别表示向量 OA→\overrightarrow{OA} 与 OB→\overrightarrow{OB} ,则表示向量 BA→\overrightarrow{BA} 的复数为

*(4) 如果向量OZ→\overrightarrow{OZ}对应复数4i,OZ→\overrightarrow{OZ}绕点O按逆时针方向旋转45∘45^{\circ}后再把模变为原来的2\sqrt{2}倍得到向量OZ1→\overrightarrow{OZ_{1}},那么与OZ1→\overrightarrow{OZ_{1}}对应的复数是____(用代数形式表示).

(1) 设 z=a−4iz=a-4\mathrm i(虚部已给定为 −4-4),由 ∣z∣=5|z|=5 得

a2+(−4)2=25 ⟹ a2=9 ⟹ a=±3a^2+(-4)^2=25\ \Longrightarrow\ a^2=9\ \Longrightarrow\ a=\pm 3

z=3−4i 或 z=−3−4i\boxed{z=3-4\mathrm i\ \text{或}\ z=-3-4\mathrm i}

“虚部”指的是 bb 本身而不是 bib\mathrm i,所以是 b=−4b=-4; 又题目没有限定实部符号,两个解都要写。

(2) z=1−2iz=1-2\mathrm i,所以 zˉ=1+2i\bar z=1+2\mathrm i:

1zˉ=11+2i=1−2i12+22=15−25i\frac1{\bar z}=\frac1{1+2\mathrm i}=\frac{1-2\mathrm i}{1^2+2^2}=\frac15-\frac25\mathrm i

(3) 向量相减即对应复数相减:

BA→=OA→−OB→ ⟹ (6+5i)−(−3+4i)=9+i\overrightarrow{BA}=\overrightarrow{OA}-\overrightarrow{OB} \ \Longrightarrow\ (6+5\mathrm i)-(-3+4\mathrm i)=9+\mathrm i

注意是 BA→\overrightarrow{BA} 不是 AB→\overrightarrow{AB},减的顺序反了会得到 −9−i-9-\mathrm i。

(4) “逆时针旋转 45∘45^\circ 再把模变为原来的 2\sqrt2 倍”, 合起来就是乘以 2(cos⁡45∘+isin⁡45∘)=1+i\sqrt2(\cos45^\circ+\mathrm i\sin45^\circ)=1+\mathrm i:

4i×(1+i)=4i+4i2=−4+4i4\mathrm i\times(1+\mathrm i)=4\mathrm i+4\mathrm i^2=-4+4\mathrm i

用三角形式核对:4i4\mathrm i 的模是 44、辐角是 90∘90^\circ; 新的模是 424\sqrt2、辐角是 135∘135^\circ,而

42(−22+22i)=−4+4i4\sqrt2\left(-\frac{\sqrt2}2+\frac{\sqrt2}2\mathrm i\right)=-4+4\mathrm i

两条路一致。

复习参考题 7 复习巩固 第 3 题

  1. 求证: z⋅zˉ=∣z∣2=∣zˉ∣2z \cdot \bar{z} = |z|^2 = |\bar{z}|^2.

设 z=a+biz=a+b\mathrm i(a,b∈Ra,b\in\mathbf R),则 zˉ=a−bi\bar z=a-b\mathrm i。三项分别算:

z⋅zˉ=(a+bi)(a−bi)=a2−(bi)2=a2+b2z\cdot\bar z=(a+b\mathrm i)(a-b\mathrm i)=a^2-(b\mathrm i)^2=a^2+b^2

∣z∣2=(a2+b2)2=a2+b2|z|^2=\left(\sqrt{a^2+b^2}\right)^2=a^2+b^2

∣zˉ∣2=(a2+(−b)2)2=a2+b2|\bar z|^2=\left(\sqrt{a^2+(-b)^2}\right)^2=a^2+b^2

三者都等于 a2+b2a^2+b^2,所以

z⋅zˉ=∣z∣2=∣zˉ∣2z\cdot\bar z=|z|^2=|\bar z|^2

证毕。

这条恒等式后面用得非常多:它是复数分母有理化的原理 (分子分母同乘 zˉ\bar z,分母就变成了实数 ∣z∣2|z|^2), 也是”模为 11 时倒数等于共轭”的来源。 几何上它说的是:一个向量和它关于实轴的镜像相乘,得到的是长度的平方。

复习参考题 7 复习巩固 第 4 题

  1. 已知复数 zz 与 (z+2)2−8i(z + 2)^2 - 8\mathrm{i} 都是纯虚数,求 zz.

zz 是纯虚数,所以可设 z=biz=b\mathrm i,其中 b∈Rb\in\mathbf R 且 b≠0b\neq 0。代入第二个式子:

(z+2)2−8i=(bi+2)2−8i=(4+4bi+b2i2)−8i=(4−b2)+(4b−8)i(z+2)^2-8\mathrm i=(b\mathrm i+2)^2-8\mathrm i =\left(4+4b\mathrm i+b^2\mathrm i^2\right)-8\mathrm i =\left(4-b^2\right)+(4b-8)\mathrm i

它也是纯虚数,两个条件缺一不可:

4−b2=0且4b−8≠04-b^2=0\quad\text{且}\quad 4b-8\neq 0

前者给出 b=±2b=\pm2,后者排除 b=2b=2,所以 b=−2b=-2:

z=−2i\boxed{z=-2\mathrm i}

验算:z=−2iz=-2\mathrm i 是纯虚数;

(−2i+2)2−8i=(4−8i+4i2)−8i=−8i−8i=−16i(-2\mathrm i+2)^2-8\mathrm i=(4-8\mathrm i+4\mathrm i^2)-8\mathrm i=-8\mathrm i-8\mathrm i=-16\mathrm i

确实是纯虚数。如果只列”实部为零”而忘了”虚部不为零”,就会把 b=2b=2 也当成解—— 那时 (z+2)2−8i=0(z+2)^2-8\mathrm i=0,00 不是纯虚数。这是本题唯一的考点。

复习参考题 7 复习巩固 第 5 题

  1. 在复数集 C 中解下列方程: (1) 4x2+9=0;4x^{2}+9=0;

(2) (x−3)(x−5)+2=0.(x-3)(x-5)+2=0.

(1) 4x2+9=0 ⟹ x2=−944x^2+9=0\ \Longrightarrow\ x^2=-\dfrac94。在复数集里 −94-\dfrac94 有两个平方根:

x=±32ix=\pm\frac32\mathrm i

(2) 先展开成一般式:

(x−3)(x−5)+2=x2−8x+15+2=x2−8x+17=0(x-3)(x-5)+2=x^2-8x+15+2=x^2-8x+17=0

判别式 Δ=64−68=−4<0\Delta=64-68=-4<0,在实数集里无解,在复数集里用求根公式:

x=8±−42=8±2i2=4±ix=\frac{8\pm\sqrt{-4}}2=\frac{8\pm 2\mathrm i}2=4\pm\mathrm i

两小题的共同点:实系数一元二次方程在复数集里总有两个根,且互为共轭。 可以用韦达定理验一下 (2):两根之和 (4+i)+(4−i)=8(4+\mathrm i)+(4-\mathrm i)=8, 两根之积 (4+i)(4−i)=16+1=17(4+\mathrm i)(4-\mathrm i)=16+1=17,与 x2−8x+17x^2-8x+17 的系数吻合。

复习参考题 7 综合运用 第 6 题

  1. 已知 z1=5+10iz_{1} = 5 + 10\mathrm{i}, z2=3−4iz_{2} = 3 - 4\mathrm{i}, 1z=1z1+1z2\frac{1}{z} = \frac{1}{z_{1}} + \frac{1}{z_{2}}, 求 zz.

先分别求两个倒数,每一步都用”分子分母同乘共轭”:

1z1=15+10i=5−10i52+102=5−10i125=1−2i25\frac1{z_1}=\frac1{5+10\mathrm i}=\frac{5-10\mathrm i}{5^2+10^2}=\frac{5-10\mathrm i}{125}=\frac{1-2\mathrm i}{25}

1z2=13−4i=3+4i32+42=3+4i25\frac1{z_2}=\frac1{3-4\mathrm i}=\frac{3+4\mathrm i}{3^2+4^2}=\frac{3+4\mathrm i}{25}

相加:

1z=(1−2i)+(3+4i)25=4+2i25\frac1z=\frac{(1-2\mathrm i)+(3+4\mathrm i)}{25}=\frac{4+2\mathrm i}{25}

取倒数:

z=254+2i=25(4−2i)42+22=25(4−2i)20=54(4−2i)=5−52iz=\frac{25}{4+2\mathrm i}=\frac{25(4-2\mathrm i)}{4^2+2^2}=\frac{25(4-2\mathrm i)}{20}=\frac54(4-2\mathrm i)=5-\frac52\mathrm i

z=5−52i\boxed{z=5-\frac52\mathrm i}

验算:1z=15−2.5i=5+2.5i25+6.25=5+2.5i31.25=0.16+0.08i\dfrac1z=\dfrac1{5-2.5\mathrm i}=\dfrac{5+2.5\mathrm i}{25+6.25}=\dfrac{5+2.5\mathrm i}{31.25}=0.16+0.08\mathrm i, 而 4+2i25=0.16+0.08i\dfrac{4+2\mathrm i}{25}=0.16+0.08\mathrm i,一致。

复习参考题 7 综合运用 第 7 题

  1. 已知 (1+2i)zˉ=4+3i(1 + 2\mathrm{i})\bar{z} = 4 + 3\mathrm{i},求 zz 及 zzˉ\frac{z}{\bar{z}}.

由 (1+2i)zˉ=4+3i(1+2\mathrm i)\bar z=4+3\mathrm i 先解出 zˉ\bar z:

zˉ=4+3i1+2i=(4+3i)(1−2i)12+22=4−8i+3i−6i25=10−5i5=2−i\bar z=\frac{4+3\mathrm i}{1+2\mathrm i}=\frac{(4+3\mathrm i)(1-2\mathrm i)}{1^2+2^2} =\frac{4-8\mathrm i+3\mathrm i-6\mathrm i^2}{5}=\frac{10-5\mathrm i}5=2-\mathrm i

于是

z=2+i\boxed{z=2+\mathrm i}

再算 zzˉ\dfrac z{\bar z}:

zzˉ=2+i2−i=(2+i)222+12=4+4i+i25=3+4i5=35+45i\frac z{\bar z}=\frac{2+\mathrm i}{2-\mathrm i}=\frac{(2+\mathrm i)^2}{2^2+1^2} =\frac{4+4\mathrm i+\mathrm i^2}5=\frac{3+4\mathrm i}5=\frac35+\frac45\mathrm i

这个商的模值得看一眼:∣zzˉ∣=∣z∣∣zˉ∣=1\left|\dfrac z{\bar z}\right|=\dfrac{|z|}{|\bar z|}=1, 而 (35)2+(45)2=1\left(\dfrac35\right)^2+\left(\dfrac45\right)^2=1,对得上。 一个复数除以它的共轭,商的模永远是 11,因为 ∣z∣=∣zˉ∣|z|=|\bar z|; 用三角形式看更清楚:辐角从 θ\theta 变成 θ−(−θ)=2θ\theta-(-\theta)=2\theta,模不变。

复习参考题 7 综合运用 第 8 题

8.(1)求 i1i^{1} , i2i^{2} , i3i^{3} , i4i^{4} , i5i^{5} , i6i^{6} , i7i^{7} , i8i^{8} 的值;

(2)由(1)推测 ini^{n} ( n∈N∗n \in N^{*} )的值有什么变化规律,并把这个规律用式子表示出来.

(1) 由 i2=−1\mathrm i^2=-1 逐次相乘:

nn1122334455667788
in\mathrm i^ni\mathrm i−1-1−i-\mathrm i11i\mathrm i−1-1−i-\mathrm i11

其中 i3=i2⋅i=−i\mathrm i^3=\mathrm i^2\cdot\mathrm i=-\mathrm i,i4=(i2)2=1\mathrm i^4=(\mathrm i^2)^2=1, 往后每乘一次 i\mathrm i 就在这四个值里循环一步。

(2) 规律是以 44 为周期。写成式子(k∈Nk\in\mathbf N):

i4k+1=i,i4k+2=−1,i4k+3=−i,i4k+4=1\mathrm i^{4k+1}=\mathrm i,\quad \mathrm i^{4k+2}=-1,\quad \mathrm i^{4k+3}=-\mathrm i,\quad \mathrm i^{4k+4}=1

也可以合并成一句:把 nn 除以 44 取余数 rr,则 in=i r\mathrm i^n=\mathrm i^{\,r} (约定 i0=1\mathrm i^0=1)。

理由是 i4=1\mathrm i^4=1:任何 in\mathrm i^n 都能写成 (i4)k⋅i r=i r\left(\mathrm i^4\right)^k\cdot\mathrm i^{\,r}=\mathrm i^{\,r}。 换三角形式看更直接:i\mathrm i 的辐角是 π2\dfrac\pi2, 乘一次就转 90∘90^\circ,转四次正好一整圈回到原处——周期 44 就是”四个直角等于一圈”。

复习参考题 7 拓广探索 第 9 题

  1. 已知复数 z1=m+(4−m2)i(m∈R)z_{1} = m + (4 - m^{2})\mathrm{i}(m\in \mathbf{R}) , z2=2cos⁡θ+(λ+3sin⁡θ)i(λ,θ∈R)z_{2} = 2\cos \theta +(\lambda +3\sin \theta)\mathrm{i}(\lambda ,\theta \in \mathbf{R}) ,并且 z1=z2z_{1} = z_{2} 求 λ\lambda 的取值范围.

两个复数相等,当且仅当实部与实部相等、虚部与虚部相等(m,λ,θm,\lambda,\theta 都是实数, 所以这一步合法):

m=2cos⁡θ(实部)m=2\cos\theta\qquad(\text{实部})

4−m2=λ+3sin⁡θ(虚部)4-m^2=\lambda+3\sin\theta\qquad(\text{虚部})

由第一式把 mm 消掉。注意 m2=4cos⁡2θm^2=4\cos^2\theta,代入第二式:

λ=4−4cos⁡2θ−3sin⁡θ\lambda=4-4\cos^2\theta-3\sin\theta

用 cos⁡2θ=1−sin⁡2θ\cos^2\theta=1-\sin^2\theta 全部换成 sin⁡θ\sin\theta:

λ=4−4(1−sin⁡2θ)−3sin⁡θ=4sin⁡2θ−3sin⁡θ\lambda=4-4\left(1-\sin^2\theta\right)-3\sin\theta=4\sin^2\theta-3\sin\theta

到这里问题已经变成一个二次函数的值域问题。令 s=sin⁡θs=\sin\theta,则 s∈[−1,1]s\in[-1,1],

λ=4s2−3s=4(s−38)2−916\lambda=4s^2-3s=4\left(s-\frac38\right)^2-\frac9{16}

对称轴 s=38s=\dfrac38 落在 [−1,1][-1,1] 内,所以

  • 最小值在 s=38s=\dfrac38 处取到:λmin⁡=−916\lambda_{\min}=-\dfrac9{16};
  • 最大值在离对称轴更远的端点取到。∣−1−38∣=118\left|-1-\dfrac38\right|=\dfrac{11}8, ∣1−38∣=58\left|1-\dfrac38\right|=\dfrac58,所以取 s=−1s=-1:λmax⁡=4+3=7\lambda_{\max}=4+3=7。

因为 ss 在 [−1,1][-1,1] 上连续取遍,λ\lambda 也取遍这两个界之间的每一个值:

λ∈[−916, 7]\boxed{\lambda\in\left[-\frac9{16},\ 7\right]}

有两处要交代清楚,不然会丢分:

  • mm 不是自由变量,它被 m=2cos⁡θm=2\cos\theta 绑住了,所以不能把 mm 和 θ\theta 当成两个独立的量各自取值; 消掉 mm 之后只剩 θ\theta 一个自由参数,这是问题能化成一元二次函数的原因。
  • 端点必须比较。二次函数在闭区间上的最值不一定在对称轴取到最大值, 这里 s=−1s=-1 给出 77、s=1s=1 只给出 11,漏掉端点比较就会把上界写成 11。

复习参考题 7 拓广探索 第 10 题

*10. 在复平面的上半平面内有一个菱形 OABCOABC,∠AOC=120∘\angle AOC = 120^{\circ},点 AA 所对应的复数是 2+i2 + \mathrm{i},求另外两个顶点 BB,CC 所对应的复数.

先把菱形的结构翻译成向量关系。菱形 OABCOABC 的顶点按 O→A→B→CO\to A\to B\to C 的顺序排列, 所以 OAOA 与 OCOC 是从 OO 出发的两条邻边,∠AOC\angle AOC 就是它们的夹角。由平行四边形性质,

OB→=OA→+OC→ ⟹ zB=zA+zC\overrightarrow{OB}=\overrightarrow{OA}+\overrightarrow{OC} \ \Longrightarrow\ z_B=z_A+z_C

又菱形四边等长,所以 ∣zC∣=∣zA∣=∣2+i∣=5|z_C|=|z_A|=|2+\mathrm i|=\sqrt5。

求 CC

∣zC∣=∣zA∣|z_C|=|z_A| 且两者夹角为 120∘120^\circ,说明 CC 是把 AA 绕 OO 旋转 ±120∘\pm120^\circ 得到的, 即 zC=zA(cos⁡(±120∘)+isin⁡(±120∘))z_C=z_A\left(\cos(\pm120^\circ)+\mathrm i\sin(\pm120^\circ)\right)。 取逆时针(后面说明为什么):

zC=(2+i)(−12+32i)=−1+3 i−12i+32i2z_C=(2+\mathrm i)\left(-\frac12+\frac{\sqrt3}2\mathrm i\right) =-1+\sqrt3\,\mathrm i-\frac12\mathrm i+\frac{\sqrt3}2\mathrm i^2 =(−1−32)+(3−12)i=−2+32+23−12i=\left(-1-\frac{\sqrt3}2\right)+\left(\sqrt3-\frac12\right)\mathrm i =-\frac{2+\sqrt3}2+\frac{2\sqrt3-1}2\mathrm i

求 BB

zB=zA+zC=(2+i)+(−2+32+23−12i)=2−32+23+12iz_B=z_A+z_C=(2+\mathrm i)+\left(-\frac{2+\sqrt3}2+\frac{2\sqrt3-1}2\mathrm i\right) =\frac{2-\sqrt3}2+\frac{2\sqrt3+1}2\mathrm i zB=2−32+23+12i,zC=−2+32+23−12i\boxed{z_B=\frac{2-\sqrt3}2+\frac{2\sqrt3+1}2\mathrm i,\qquad z_C=-\frac{2+\sqrt3}2+\frac{2\sqrt3-1}2\mathrm i}

为什么取逆时针

题面说菱形在上半平面内,这就是用来定向的条件。 若取顺时针旋转 120∘120^\circ:

zC′=(2+i)(−12−32i)=3−22−23+12iz_C'=(2+\mathrm i)\left(-\frac12-\frac{\sqrt3}2\mathrm i\right) =\frac{\sqrt3-2}2-\frac{2\sqrt3+1}2\mathrm i

虚部 −23+12<0-\dfrac{2\sqrt3+1}2<0,点 C′C' 落在下半平面,菱形就跨过了实轴,与题设矛盾。 所以只有逆时针那一个解。

取逆时针时,两个新顶点的虚部分别是 23−12≈1.23>0\dfrac{2\sqrt3-1}2\approx1.23>0 和 23+12≈2.23>0\dfrac{2\sqrt3+1}2\approx2.23>0, 连同 A(2,1)A(2,1) 一起都在上半平面,OO 在边界上,符合题设。

验算

∣zC∣2=(2+32)2+(23−12)2=7+434+13−434=204=5|z_C|^2=\left(\frac{2+\sqrt3}2\right)^2+\left(\frac{2\sqrt3-1}2\right)^2 =\frac{7+4\sqrt3}4+\frac{13-4\sqrt3}4=\frac{20}4=5

所以 ∣zC∣=5=∣zA∣|z_C|=\sqrt5=|z_A|,四边相等成立。 再看对角线:菱形中 ∠AOC=120∘\angle AOC=120^\circ,则对角线 OBOB 平分这个角,且

∣OB∣=2∣OA∣cos⁡60∘=∣OA∣=5|OB|=2|OA|\cos 60^\circ=|OA|=\sqrt5

而

∣zB∣2=(2−32)2+(23+12)2=7−434+13+434=5|z_B|^2=\left(\frac{2-\sqrt3}2\right)^2+\left(\frac{2\sqrt3+1}2\right)^2 =\frac{7-4\sqrt3}4+\frac{13+4\sqrt3}4=5

也是 5\sqrt5,与几何推断吻合。 这道题的关键翻译只有一句:菱形里”两邻边等长且夹定角”,等价于”一个顶点由另一个顶点旋转定角得到”。

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每一个不等于零的复数有唯一的模与辐角的主值,并且由它的模与辐角的主值唯一确定。因此,两个非零复数相等当且仅当它们的模与辐角的主值分别相等。

练习

  1. 画出下列复数对应的向量,并把这些复数表示成三角形式: (1) 4; (2) -i; (3) 23+2i2\sqrt{3} + 2i ; (4) −12−32i-\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2}i .

  2. 下列复数是不是三角形式?如果不是,把它们表示成三角形式. (1) 12(cos⁡π4−isin⁡π4)\frac{1}{2}\left(\cos\frac{\pi}{4}-\mathrm{i}\sin\frac{\pi}{4}\right) ; (2) −12(cos⁡π3+isin⁡π3)-\frac{1}{2}\left(\cos\frac{\pi}{3}+\mathrm{i}\sin\frac{\pi}{3}\right) ; (3) 12(sin⁡5π12+icos⁡5π12)\frac{1}{2}\left(\sin\frac{5\pi}{12}+\mathrm{i}\cos\frac{5\pi}{12}\right) ; (4) cos⁡7π5+isin⁡7π5\cos\frac{7\pi}{5}+\mathrm{i}\sin\frac{7\pi}{5} ;

2(cos⁡π3+isin⁡π6)2 \left(\cos \frac {\pi}{3} + \mathrm{i} \sin \frac {\pi}{6}\right)

  1. 把下列复数表示成代数形式: (1) 6(cos⁡3π2+isin⁡3π2)6\left(\cos\frac{3\pi}{2}+\mathrm{i}\sin\frac{3\pi}{2}\right) ; (2) 2(cos⁡5π3+isin⁡5π3)2\left(\cos\frac{5\pi}{3}+\mathrm{i}\sin\frac{5\pi}{3}\right) .

7.3.2 复数乘、除运算的三角表示及其几何意义

前面,我们研究了复数代数形式的乘、除运算,下面我们利用复数的三角表示研究复数的乘、除运算及其几何意义.

思考

如果把复数 z1z_{1},z2z_{2} 分别写成三角形式 z1=r1(cos⁡θ1+isin⁡θ1)z_{1} = r_{1}(\cos \theta_{1} + \mathrm{i}\sin \theta_{1}),z2=r2(cos⁡θ2+isin⁡θ2)z_{2} = r_{2}(\cos \theta_{2} + \mathrm{i}\sin \theta_{2}),你能计算 z1z2z_{1}z_{2} 并将结果表示成三角形式吗?

根据复数的乘法法则以及两角和的正弦、余弦公式,可以得到

z1z2=r1(cos⁡θ1+isin⁡θ1)⋅r2(cos⁡θ2+isin⁡θ2)=r1r2(cos⁡θ1+isin⁡θ1)(cos⁡θ2+isin⁡θ2)=r1r2[(cos⁡θ1cos⁡θ2−sin⁡θ1sin⁡θ2)+i(sin⁡θ1cos⁡θ2+cos⁡θ1sin⁡θ2)]=r1r2[cos⁡(θ1+θ2)+isin⁡(θ1+θ2)],\begin{array}{r l} z _ {1} z _ {2} & = r _ {1} (\cos \theta_ {1} + \mathrm{i} \sin \theta_ {1}) \cdot r _ {2} (\cos \theta_ {2} + \mathrm{i} \sin \theta_ {2}) \\ & = r _ {1} r _ {2} (\cos \theta_ {1} + \mathrm{i} \sin \theta_ {1}) (\cos \theta_ {2} + \mathrm{i} \sin \theta_ {2}) \\ & = r _ {1} r _ {2} \big [ (\cos \theta_ {1} \cos \theta_ {2} - \sin \theta_ {1} \sin \theta_ {2}) + \mathrm{i} (\sin \theta_ {1} \cos \theta_ {2} + \cos \theta_ {1} \sin \theta_ {2}) \big ] \\ & = r _ {1} r _ {2} \big [ \cos (\theta_ {1} + \theta_ {2}) + \mathrm{i} \sin (\theta_ {1} + \theta_ {2}) \big ], \end{array}

即

r1(cos⁡θ1+isin⁡θ1)⋅r2(cos⁡θ2+isin⁡θ2)=r1r2[cos⁡(θ1+θ2)+isin⁡(θ1+θ2)].\begin{array}{r l} & r _ {1} (\cos \theta_ {1} + \mathrm{i} \sin \theta_ {1}) \cdot r _ {2} (\cos \theta_ {2} + \mathrm{i} \sin \theta_ {2}) \\ & = r _ {1} r _ {2} \big [ \cos (\theta_ {1} + \theta_ {2}) + \mathrm{i} \sin (\theta_ {1} + \theta_ {2}) \big ]. \end{array}

这就是说,两个复数相乘,积的模等于各复数的模的积,积的辐角等于各复数的辐角的和.

探究

由复数乘法运算的三角表示,你能得到复数乘法的几何意义吗?

两个复数 z1z_{1},z2z_{2} 相乘时,可以像图7.3-6那样,先分别画出与 z1z_{1},z2z_{2} 对应的向量 OZ1→\overrightarrow{OZ_1},OZ2→\overrightarrow{OZ_2},然后把向量 OZ1→\overrightarrow{OZ_1} 绕点 OO 按逆时针方向旋转角 θ2\theta_{2}(如果 θ2<0\theta_{2} < 0,就要把 OZ1→\overrightarrow{OZ_1} 绕点 OO 按顺时针方向旋转角 ∣θ2∣|\theta_{2}|),再把它的模变为原来的 r2r_2 倍,得到向量 OZ→\overrightarrow{OZ},OZ→\overrightarrow{OZ} 表示的复数就是积 z1z2z_{1}z_{2}. 这是复数乘法的几何意义.

图7.3-6

你能解释 i2=−1i^2 = -1 和 (−1)2=1(-1)^2 = 1 的几何意义吗?

例 3 已知 z1=32(cos⁡π6+isin⁡π6)z_{1}=\frac{3}{2}\left(\cos\frac{\pi}{6}+\mathrm{i}\sin\frac{\pi}{6}\right) , z2=2(cos⁡π3+isin⁡π3)z_{2}=2\left(\cos\frac{\pi}{3}+\mathrm{i}\sin\frac{\pi}{3}\right) ,求 z1z2z_{1}z_{2} ,请把结果化为代数形式,并作出几何解释.

解:z1z2=32(cos⁡π6+isin⁡π6)×2(cos⁡π3+isin⁡π3)=32×2[cos⁡(π6+π3)+isin⁡(π6+π3)]=3(cos⁡π2+isin⁡π2)=3i.\begin{array}{r l} \text {解:} & z _ {1} z _ {2} = \frac {3}{2} \big (\cos \frac {\pi}{6} + \mathrm{i} \sin \frac {\pi}{6} \big) \times 2 \big (\cos \frac {\pi}{3} + \mathrm{i} \sin \frac {\pi}{3} \big) \\ & \qquad = \frac {3}{2} \times 2 \left[ \cos \big (\frac {\pi}{6} + \frac {\pi}{3} \big) + \mathrm{i} \sin \big (\frac {\pi}{6} + \frac {\pi}{3} \big) \right] \\ & \qquad = 3 \big (\cos \frac {\pi}{2} + \mathrm{i} \sin \frac {\pi}{2} \big) \\ & \qquad = 3 \mathrm{i}. \end{array}

• •

当不要求把计算结果化为代数形式时,也可以用三角形式表示.

首先作与 z1z_{1},z2z_{2} 对应的向量 OZ1→\overrightarrow{OZ_{1}},OZ2→\overrightarrow{OZ_{2}},然后把向量 OZ1→\overrightarrow{OZ_{1}} 绕点 OO 按逆时针方向旋转 π3\frac{\pi}{3},再将其长度伸长为原来的2倍,这样得到一个长度为3,辐角为 π2\frac{\pi}{2} 的向量 OZ→\overrightarrow{OZ}(图7.3-7)。OZ→\overrightarrow{OZ} 即为积 z1z2=3iz_{1}z_{2} = 3\mathrm{i} 所对应的向量。

图7.3-7

例 4 如图 7.3-8,向量 OZ→\overrightarrow{OZ} 对应的复数为 1+i1 + i ,把 OZ→\overrightarrow{OZ} 绕点 O 按逆时针方向旋转 120∘120^{\circ} ,得到 OZ′→\overrightarrow{OZ'} 。求向量 OZ′→\overrightarrow{OZ'} 对应的复数(用代数形式表示)。

分析:根据复数乘法的几何意义,向量 OZ′→\overrightarrow{OZ'} 对应的复数是复数 1+i1+i 与 z0z_{0} 的积,其中复数 z0z_{0} 的模是1,辐角的主值是 120∘120^{\circ} .

图7.3-8

解:向量 OZ′→\overrightarrow{OZ'} 对应的复数为

(1+i)(cos⁡120∘+isin⁡120∘)=(1+i)(−12+32i)=−1−32+3−12i.\begin{array}{r l} & (1 + \mathrm{i}) (\cos 1 2 0 ^ {\circ} + \mathrm{i} \sin 1 2 0 ^ {\circ}) \\ & = (1 + \mathrm{i}) \left(- \frac {1}{2} + \frac {\sqrt {3}}{2} \mathrm{i}\right) \\ & = \frac {- 1 - \sqrt {3}}{2} + \frac {\sqrt {3} - 1}{2} \mathrm{i}. \end{array}

探究

复数的除法运算是乘法运算的逆运算. 根据复数乘法运算的三角表示, 你能得出复数除法运算的三角表示吗?

设 z1=r1(cos⁡θ1+isin⁡θ1),z2=r2(cos⁡θ2+isin⁡θ2)z_{1} = r_{1}(\cos \theta_{1} + \mathrm{i}\sin \theta_{1}), z_{2} = r_{2}(\cos \theta_{2} + \mathrm{i}\sin \theta_{2}) ,且 z2≠0z_{2} \neq 0 ,因为

r2(cos⁡θ2+isin⁡θ2)⋅r1r2[cos⁡(θ1−θ2)+isin⁡(θ1−θ2)]=r1(cos⁡θ1+isin⁡θ1),r _ {2} (\cos \theta_ {2} + \mathrm{i} \sin \theta_ {2}) \cdot \frac {r _ {1}}{r _ {2}} [ \cos (\theta_ {1} - \theta_ {2}) + \mathrm{i} \sin (\theta_ {1} - \theta_ {2}) ] = r _ {1} (\cos \theta_ {1} + \mathrm{i} \sin \theta_ {1}),

所以根据复数除法的定义,有

r1(cos⁡θ1+isin⁡θ1)r2(cos⁡θ2+isin⁡θ2)=r1r2[cos⁡(θ1−θ2)+isin⁡(θ1−θ2)].\frac {r _ {1} (\cos \theta_ {1} + \mathrm{i} \sin \theta_ {1})}{r _ {2} (\cos \theta_ {2} + \mathrm{i} \sin \theta_ {2})} = \frac {r _ {1}}{r _ {2}} \big [ \cos (\theta_ {1} - \theta_ {2}) + \mathrm{i} \sin (\theta_ {1} - \theta_ {2}) \big ].

这就是说,两个复数相除,商的模等于被除数的模除以除数的模所得的商,商的辐角等于被除数的辐角减去除数的辐角所得的差.

探究

类比复数乘法的几何意义,由复数除法运算的三角表示,你能得出复数除法的几何意义吗?

例 5 计算 4(cos⁡4π3+isin⁡4π3)÷[2(cos⁡5π6+isin⁡5π6)]4\left(\cos\frac{4\pi}{3}+\mathrm{i}\sin\frac{4\pi}{3}\right)\div\left[2\left(\cos\frac{5\pi}{6}+\mathrm{i}\sin\frac{5\pi}{6}\right)\right] ,并把结果化为代数形式. 解:原式 =2[cos⁡(4π3−5π6)+isin⁡(4π3−5π6)]=2\left[\cos\left(\frac{4\pi}{3}-\frac{5\pi}{6}\right)+\mathrm{i}\sin\left(\frac{4\pi}{3}-\frac{5\pi}{6}\right)\right]

=2(cos⁡π2+isin⁡π2)=2(0+i)=2i.= 2 \left(\cos \frac {\pi}{2} + \mathrm{i} \sin \frac {\pi}{2}\right) = 2 (0 + \mathrm{i}) = 2 \mathrm{i}.

练习

  1. 计算:

(1) 8(cos⁡π6+isin⁡π6)×2(cos⁡π4+isin⁡π4)8\left(\cos\frac{\pi}{6}+\mathrm{i}\sin\frac{\pi}{6}\right)\times2\left(\cos\frac{\pi}{4}+\mathrm{i}\sin\frac{\pi}{4}\right) ;

(2) 2(cos⁡4π3+isin⁡4π3)×4(cos⁡5π6+isin⁡5π6)2\left(\cos\frac{4\pi}{3}+\mathrm{i}\sin\frac{4\pi}{3}\right)\times4\left(\cos\frac{5\pi}{6}+\mathrm{i}\sin\frac{5\pi}{6}\right) ;

(3) 2\sqrt{2} ( cos⁡240∘+isin⁡240∘\cos 240^{\circ} + \mathrm{i}\sin 240^{\circ} ) ×32\times \frac{\sqrt{3}}{2} ( cos⁡60∘+isin⁡60∘\cos 60^{\circ} + \mathrm{i}\sin 60^{\circ} );

(4) 3(cos⁡18∘+isin⁡18∘)×2(cos⁡54∘+isin⁡54∘)×5(cos⁡108∘+isin⁡108∘).3(\cos 18^{\circ} + \mathrm{i}\sin 18^{\circ})\times 2(\cos 54^{\circ} + \mathrm{i}\sin 54^{\circ})\times 5(\cos 108^{\circ} + \mathrm{i}\sin 108^{\circ}).

  1. 计算:

(1) 12(cos⁡7π4+isin⁡7π4)÷[6(cos⁡2π3+isin⁡2π3)]12\left(\cos\frac{7\pi}{4}+\mathrm{i}\sin\frac{7\pi}{4}\right)\div\left[6\left(\cos\frac{2\pi}{3}+\mathrm{i}\sin\frac{2\pi}{3}\right)\right];

(2) 3(cos⁡150∘+isin⁡150∘)÷[2(cos⁡225∘+isin⁡225∘)]\sqrt{3} (\cos 150^{\circ} + \mathrm{i}\sin 150^{\circ})\div [\sqrt{2} (\cos 225^{\circ} + \mathrm{i}\sin 225^{\circ})];

(3) 2÷(cos⁡π4+isin⁡π4)2\div\left(\cos\frac{\pi}{4}+\mathrm{i}\sin\frac{\pi}{4}\right) ;

−i÷[2(cos⁡120∘+isin⁡120∘)].(4)- \mathrm{i} \div [ 2 (\cos 1 2 0 ^ {\circ} + \mathrm{i} \sin 1 2 0 ^ {\circ}) ]. \tag {4}
  1. 在复平面内,把与复数 3−3i3 - \sqrt{3}\mathrm{i} 对应的向量绕原点 OO 按顺时针方向旋转 60∘60^{\circ},求与所得的向量对应的复数(用代数形式表示).

习题7.3

复习巩固

  1. 画出下列复数对应的向量,并把这些复数表示成三角形式:

(1) 6;

(2) 1+i;1+i;

(3) 1−3i;1-\sqrt{3}i;

(4) −32+12i.-\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{1}{2} \mathrm{i}.

  1. 把下列复数表示成代数形式:

(1) 32(cos⁡π4+isin⁡π4)3\sqrt{2}\left(\cos\frac{\pi}{4}+\mathrm{i}\sin\frac{\pi}{4}\right) ;

(2) 8(cos⁡11π6+isin⁡11π6)8\left(\cos\frac{11\pi}{6}+\mathrm{i}\sin\frac{11\pi}{6}\right) ;

(3) 9(cos⁡π+isin⁡π)9(\cos \pi + \mathrm{i} \sin \pi) ;

(4) 6(cos⁡4π3+isin⁡4π3)6\left(\cos\frac{4\pi}{3}+\mathrm{i}\sin\frac{4\pi}{3}\right) .

  1. 计算:

(1) 3(cos⁡π3+isin⁡π3)×3(cos⁡π6+isin⁡π6)3\left(\cos \frac{\pi}{3} + \mathrm{i}\sin \frac{\pi}{3}\right) \times 3\left(\cos \frac{\pi}{6} + \mathrm{i}\sin \frac{\pi}{6}\right);

(2) 10(cos⁡π2+isin⁡π2)×2(cos⁡π4+isin⁡π4)\sqrt{10}\left(\cos \frac{\pi}{2} + \mathrm{i}\sin \frac{\pi}{2}\right) \times \sqrt{2}\left(\cos \frac{\pi}{4} + \mathrm{i}\sin \frac{\pi}{4}\right);

(3) 10(cos⁡2π3+isin⁡2π3)÷[5(cos⁡π3+isin⁡π3)]10\left(\cos \frac{2\pi}{3} + \mathrm{i}\sin \frac{2\pi}{3}\right) \div \left[5\left(\cos \frac{\pi}{3} + \mathrm{i}\sin \frac{\pi}{3}\right)\right];

(4) 12(cos⁡3π2+isin⁡3π2)÷[6(cos⁡π6+isin⁡π6)].12\left(\cos \frac{3\pi}{2} + \mathrm{i}\sin \frac{3\pi}{2}\right) \div \left[6\left(\cos \frac{\pi}{6} + \mathrm{i}\sin \frac{\pi}{6}\right)\right].

  1. 计算下列各式,并作出几何解释:

(1) 2(cos⁡2π3+isin⁡2π3)×22(cos⁡π3+isin⁡π3)\sqrt{2}\left(\cos \frac{2\pi}{3} + \mathrm{i}\sin \frac{2\pi}{3}\right) \times 2\sqrt{2}\left(\cos \frac{\pi}{3} + \mathrm{i}\sin \frac{\pi}{3}\right);

(2) 2(cos⁡75∘+isin⁡75∘)×(12−12i)2(\cos 75^{\circ} + \mathrm{i}\sin 75^{\circ}) \times \left(\frac{1}{2} - \frac{1}{2}\mathrm{i}\right);

(3) 4(cos⁡300∘+isin⁡300∘)÷[2(cos⁡3π4+isin⁡3π4)];4(\cos 300^{\circ} + \mathrm{i}\sin 300^{\circ})\div \left[\sqrt{2}\left(\cos \frac{3\pi}{4} +\mathrm{i}\sin \frac{3\pi}{4}\right)\right];

(4) (−12+32i)÷[2(cos⁡π3+isin⁡π3)].\left(-\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2} \mathrm{i}\right) \div \left[2 \left(\cos \frac{\pi}{3} + \mathrm{i} \sin \frac{\pi}{3}\right)\right].

综合运用

5.(1)求证 1cos⁡θ+isin⁡θ=cos⁡θ−isin⁡θ;\frac{1}{\cos\theta + \mathrm{i}\sin\theta} = \cos \theta - \mathrm{i}\sin \theta;

(2) 写出下列复数 z 的倒数 1z\frac{1}{z} 的模与辐角:

z=4(cos⁡π12+isin⁡π12),z=cos⁡π6−isin⁡π6,z=22(1−i).z = 4 \Big (\cos \frac {\pi}{1 2} + \mathrm{i} \sin \frac {\pi}{1 2} \Big), \quad z = \cos \frac {\pi}{6} - \mathrm{i} \sin \frac {\pi}{6}, \quad z = \frac {\sqrt {2}}{2} (1 - \mathrm{i}).

  1. 求证:

(1) (cos⁡75∘+isin⁡75∘)(cos⁡15∘+isin⁡15∘)=i(\cos 75^{\circ} + \mathrm{i}\sin 75^{\circ})(\cos 15^{\circ} + \mathrm{i}\sin 15^{\circ}) = \mathrm{i};

(cos⁡3θ−isin⁡3θ)(cos⁡2θ−isin⁡2θ)=cos⁡5θ−isin⁡5θ.(2)(\cos 3 \theta - \mathrm{i} \sin 3 \theta) (\cos 2 \theta - \mathrm{i} \sin 2 \theta) = \cos 5 \theta - \mathrm{i} \sin 5 \theta . \tag {2}
  1. 化简:

(1) (cos⁡7θ+isin⁡7θ)(cos⁡2θ+isin⁡2θ)(cos⁡5θ+isin⁡5θ)(cos⁡3θ+isin⁡3θ)\frac{(\cos 7\theta + \mathrm{i}\sin 7\theta)(\cos 2\theta + \mathrm{i}\sin 2\theta)}{(\cos 5\theta + \mathrm{i}\sin 5\theta)(\cos 3\theta + \mathrm{i}\sin 3\theta)};

(2) cos⁡φ−isin⁡φcos⁡φ+isin⁡φ.\frac{\cos\varphi - \mathrm{i}\sin\varphi}{\cos\varphi + \mathrm{i}\sin\varphi}.

  1. 设 z=3−iz = \sqrt{3} - \mathrm{i} 对应的向量为 OZ→\overrightarrow{OZ},将 OZ→\overrightarrow{OZ} 绕点 OO 按逆时针方向和顺时针方向分别旋转 45∘45^{\circ} 和 60∘60^{\circ},求所得向量对应的复数(用代数形式表示).

拓广探索

  1. 如下页图,复平面内的 △ABC\triangle ABC 是等边三角形,它的两个顶点 A,BA, B 的坐标分别为(1,0),(2,1),求点 CC 的坐标.

  2. 如下页图,已知平面内并列的三个全等的正方形,利用复数证明

∠1+∠2+∠3=π2.\angle 1 + \angle 2 + \angle 3 = \frac {\pi}{2}.

(第9题)

(第10题)

探究与发现

1 的 n 次方根

初中我们学过,1的平方根为 ±1\pm 1 ,它们互为相反数.如何求1的3次方根,4次方根…… nn 次方根?它们有什么性质呢?

我们知道开方是乘方的逆运算,为了探求1的 nn 次方根,需要先研究复数的乘方.

由复数乘法运算的三角表示知,若 z1=r1(cos⁡θ1+isin⁡θ1)z_{1} = r_{1}(\cos \theta_{1} + \mathrm{i}\sin \theta_{1}) , z2=r2⋅(cos⁡θ2+z_{2} = r_{2}\cdot (\cos \theta_{2}+ isinθ2)\mathrm{isin}\theta_{2}) ,则 z1z2=r1r2[cos⁡(θ1+θ2)+isin⁡(θ1+θ2)]z_{1}z_{2} = r_{1}r_{2}\left[\cos (\theta_{1} + \theta_{2}) + \mathrm{i}\sin (\theta_{1} + \theta_{2})\right] .这个结论可以推广到n(n⩾2n(n\geqslant 2 , n∈N)n\in \mathbf{N}) 个复数相乘的情况,即若 z1=r1(cos⁡θ1+isin⁡θ1)z_{1} = r_{1}(\cos \theta_{1} + \mathrm{i}\sin \theta_{1}) , z2=r2(cos⁡θ2+z_{2} = r_{2}(\cos \theta_{2}+ isinθ2)\mathrm{isin}\theta_{2}) ,…, zn=rn(cos⁡θn+isin⁡θn)z_{n} = r_{n}(\cos \theta_{n} + \mathrm{i}\sin \theta_{n}) ,则

z1z2…zn=r1r2…rn[cos⁡(θ1+θ2+⋯+θn)+isin⁡(θ1+θ2+⋯+θn)].z _ {1} z _ {2} \dots z _ {n} = r _ {1} r _ {2} \dots r _ {n} \left[ \cos \left(\theta_ {1} + \theta_ {2} + \dots + \theta_ {n}\right) + \mathrm{i} \sin \left(\theta_ {1} + \theta_ {2} + \dots + \theta_ {n}\right) \right].

特别地,如果 z1=z2=⋯=zn=r(cos⁡θ+isin⁡θ)z_{1}=z_{2}=\cdots=z_{n}=r(\cos\theta+\mathrm{i}\sin\theta) ,那么

[r(cos⁡θ+isin⁡θ)]n=rn(cos⁡nθ+isin⁡nθ).[ r (\cos \theta + \mathrm{i} \sin \theta) ] ^ {n} = r ^ {n} (\cos n \theta + \mathrm{i} \sin n \theta).

这就是说,复数的 nn (n∈N∗n \in \mathbf{N}^*)次幂的模等于这个复数的模的 nn 次幂,它的辐角等于这个复数的辐角的 nn 倍,这个结论叫做棣莫弗定理.

类比复数乘法的几何意义,你能给出复数乘方的几何意义吗?

下面我们利用棣莫弗定理,探求1的3次方根,给出它们的几何解释,并探求它们的性质.

设 z=ρ(cos⁡φ+isin⁡φ)z = \rho (\cos \varphi +\mathrm{i}\sin \varphi) (ρ>0)(\rho >0) 是1的3次方根,则 z3=1=cos⁡0+isin⁡0z^3 = 1 = \cos 0 + \mathrm{i}\sin 0 ,从而

[ρ(cos⁡φ+isin⁡φ)]3=ρ3(cos⁡3φ+isin⁡3φ)=cos⁡0+isin⁡0.[ \rho (\cos \varphi + \mathrm{i} \sin \varphi) ] ^ {3} = \rho^ {3} (\cos 3 \varphi + \mathrm{i} \sin 3 \varphi) = \cos 0 + \mathrm{i} \sin 0.

因为相等的复数的模相等,辐角可以相差 2π2\pi 的整数倍,所以

{ρ3=1,3φ=0+2kπ(k∈Z),\left\{ \begin{array}{l} \rho^ {3} = 1, \\ 3 \varphi = 0 + 2 k \pi (k \in \mathbf {Z}), \end{array} \right.

即

{ρ=1,φ=2kπ3(k∈Z).\left\{ \begin{array}{l} \rho = 1, \\ \varphi = \frac {2 k \pi}{3} (k \in \mathbf {Z}). \end{array} \right.

因此1的3次方根是 cos⁡2kπ3+isin⁡2kπ3(k∈Z).\cos \frac{2k\pi}{3} +\mathrm{i}\sin \frac{2k\pi}{3} (k\in \mathbf{Z}).

根据三角函数的周期性可得,1的3次方根为 ωk=cos⁡2kπ3+isin⁡2kπ3\omega_{k} = \cos \frac{2k\pi}{3} +\mathrm{i}\sin \frac{2k\pi}{3} ( k=0k = 0 1,2),即 ω0=cos⁡0+isin⁡0=1\omega_0 = \cos 0 + \mathrm{i}\sin 0 = 1 , ω1=cos⁡2π3+isin⁡2π3=−12+32i,ω2=cos⁡4π3+\omega_{1} = \cos \frac{2\pi}{3} +\mathrm{i}\sin \frac{2\pi}{3} = -\frac{1}{2} +\frac{\sqrt{3}}{2}\mathrm{i},\omega_{2} = \cos \frac{4\pi}{3} + isin4π3=−12−32i.\mathrm{isin}\frac{4\pi}{3} = -\frac{1}{2} -\frac{\sqrt{3}}{2}\mathrm{i}.

1的3次方根的几何意义是什么呢?

如图1,在复平面内,设 ω0,ω1,ω2\omega_0, \omega_1, \omega_2 对应的点分别为 Z0,Z1,Z2Z_0, Z_1, Z_2,对应的向量分别为 OZ0→,OZ1→,OZ2→\overrightarrow{OZ_0}, \overrightarrow{OZ_1}, \overrightarrow{OZ_2}。因为 ∣ω0∣=∣ω1∣=∣ω2∣=1|\omega_0| = |\omega_1| = |\omega_2| = 1,所以 ω0,ω1,ω2\omega_0, \omega_1, \omega_2 所对应的点 Z0,Z1,Z2Z_0, Z_1, Z_2 都在以原点 OO 为圆心的单位圆上。因为 ω0,ω1,ω2\omega_0, \omega_1, \omega_2 的辐角依次相差 2π3\frac{2\pi}{3},所以 Z0,Z1,Z2Z_0, Z_1, Z_2 是单位圆的三等分点(也可以看成单位圆的内接正三角形的顶点),且分点 Z0Z_0 恰为单位圆与实轴的正半轴的交点。

图1

从 ω0,ω1,ω2\omega_0, \omega_1, \omega_2 对应的向量 OZ0→,OZ1→,OZ2→\overrightarrow{OZ_0}, \overrightarrow{OZ_1}, \overrightarrow{OZ_2} 来看,容易发现:将 OZ0→\overrightarrow{OZ_0} 绕原点 OO 按逆时针方向旋转 2π3\frac{2\pi}{3} 得到 OZ1→\overrightarrow{OZ_1},再按逆时针方向旋转 2π3\frac{2\pi}{3} 得到 OZ2→\overrightarrow{OZ_2},继续按逆时针方向旋转 2π3\frac{2\pi}{3} 得到 OZ0→\overrightarrow{OZ_0}.

我们还可以得到 1 的 3 次方根的一些性质:

(1) (ωk)3=1,∣ωk∣=1(\omega_{k})^{3}=1,\quad|\omega_{k}|=1 ,其中k=0,1,2;

(2) ω1\omega_{1} 和 ω2\omega_{2} 互为共轭复数;

(3) 1+ωk+ωk2=01+\omega_{k}+\omega_{k}^{2}=0 (k=1, 2).

你能证明这些性质吗?

类比上述研究方法,请你自己探求1的4次方根,5次方根……n次方根.你能解释它们的几何意义,并探求它们的性质吗?

小结

一、本章知识结构

二、回顾与思考

本章我们通过解方程引入了复数,进而研究了复数的表示和运算,以及它们的几何意义,将实数系扩充成复数系.

在数学史上,从古希腊丢番图时代人们求一元二次方程的解时发现复数问题开始,到意大利数学家卡尔达诺在他1545年出版的《大术》中,在求解一元三次方程过程中无法回避虚数问题,再到18世纪末韦塞尔给出复数的几何表示,人们才开始接受复数,这是一个漫长而曲折的过程,其中充满着数学家的想象力、创造力,表现了数学家不屈不挠、精益求精的精神。我们看到,人们是在解决纯粹的数学问题的过程中发现复数的,但它现在在流体力学、信号分析等学科中得到了广泛的应用。1843年,英国数学家哈密顿在复数基础上构造了四元数,从而导致了物理学中著名的麦克斯韦方程的建立,显示了人类理性思维的强大作用。

复数本质上是一对有序实数,因此复数与复平面内的点是一一对应的,与复平面内以原点为起点的向量也是一一对应的,由复数的向量表示可以进一步得到复数的三角形式。因此,复数的代数形式、三角形式都具有明显的几何意义。从复数的运算看,复数代数形式的加、减运算的几何意义,就是相应平面向量的加减运算;复数的乘、除运算的几何意义,就是平面向量的旋转、伸缩。本章强调数与形的结合,学习时应注意把握数形结合的思想方法。

学习本章时,应注意复数与实数、有理数的联系,复数及其代数形式的加法、减法、乘法运算与多项式及其加法、减法、乘法运算的联系,应注意复数及其代数形式的加、减运算与平面向量及其加、减运算的联系,还应关注复数的三角表示以及复数的乘、除运算与平面向量、三角函数的联系。这些联系可以用以下框图表示:

多项式及其运算 复数及其运算 类比 平面向量 及其运算 特殊化 实数及其运算 类比 数轴上的向 量及其运算 特殊化 有理数及其运算

请你带着下面的问题,复习一下全章内容吧!

  1. 收集一些从实数系扩充到复数系的数学史料,并对“整数—有理数—实数—复数”的数系扩充过程进行整理.

  2. 学习复数应联系实数,注意到复数事实上是一对有序实数,请比较实数、虚数、纯虚数、复数之间的区别和联系,比较实数和复数的几何意义的区别.

  3. 你对复数四则运算法则规定的合理性,以及复数代数形式的加、减运算与向量的加、减运算的一致性有什么体会?

  4. 什么是复数的三角形式?它与复数的几何意义之间有什么联系?复数的代数形式与三角形式之间有什么关系?

  5. 复数乘、除运算的几何意义是什么?

  6. 比较复数乘、除运算的代数表示与三角表示,体会复数的三角表示给乘、除运算带来的便利.

复习参考题 7

复习巩固

  1. 选择题

(1) 复数 a+bia + bi 与 c+dic + di 的积是实数的充要条件是(). (A) ad+bc=0ad + bc = 0 (B) ac+bd=0ac + bd = 0 (C) ac = bd (D) ad = bc

(2) 复数 5i−2\frac{5}{\mathrm{i} - 2} 的共轭复数是(). (A) i+2\mathrm{i} + 2 (B) i−2\mathrm{i} - 2 (C) −2−i-2 - \mathrm{i} (D) 2−i2 - \mathrm{i}(3) 当 23<m<1\frac{2}{3} < m < 1 时, 复数 m(3+i)−(2+i)m(3 + \mathrm{i}) - (2 + \mathrm{i}) 在复平面内对应的点位于 ( ). (A) 第一象限 (B) 第二象限 (C) 第三象限 (D) 第四象限

*(4) 复数 sin⁡40∘\sin 40^{\circ} —icos 40∘40^{\circ} 的辐角主值是(). (A) 40∘40^{\circ} (B) 140∘140^{\circ} (C) 220∘220^{\circ} (D) 310∘310^{\circ}

2. 填空题

(1)若复数 z 的模为 5,虚部为 -4,则复数 z=____。

(2) 已知复数 z=1-2i,那么 1zˉ=\frac{1}{\bar{z}}= ____.

(3) 复数 6+5i6 + 5i 与 −3+4i-3 + 4i 分别表示向量 OA→\overrightarrow{OA} 与 OB→\overrightarrow{OB} ,则表示向量 BA→\overrightarrow{BA} 的复数为

*(4) 如果向量OZ→\overrightarrow{OZ}对应复数4i,OZ→\overrightarrow{OZ}绕点O按逆时针方向旋转45∘45^{\circ}后再把模变为原来的2\sqrt{2}倍得到向量OZ1→\overrightarrow{OZ_{1}},那么与OZ1→\overrightarrow{OZ_{1}}对应的复数是____(用代数形式表示).

  1. 求证: z⋅zˉ=∣z∣2=∣zˉ∣2z \cdot \bar{z} = |z|^2 = |\bar{z}|^2.

  2. 已知复数 zz 与 (z+2)2−8i(z + 2)^2 - 8\mathrm{i} 都是纯虚数,求 zz.

  3. 在复数集 C 中解下列方程: (1) 4x2+9=0;4x^{2}+9=0;

(2) (x−3)(x−5)+2=0.(x-3)(x-5)+2=0.

综合运用

  1. 已知 z1=5+10iz_{1} = 5 + 10\mathrm{i}, z2=3−4iz_{2} = 3 - 4\mathrm{i}, 1z=1z1+1z2\frac{1}{z} = \frac{1}{z_{1}} + \frac{1}{z_{2}}, 求 zz.

  2. 已知 (1+2i)zˉ=4+3i(1 + 2\mathrm{i})\bar{z} = 4 + 3\mathrm{i},求 zz 及 zzˉ\frac{z}{\bar{z}}.

8.(1)求 i1i^{1} , i2i^{2} , i3i^{3} , i4i^{4} , i5i^{5} , i6i^{6} , i7i^{7} , i8i^{8} 的值;

(2)由(1)推测 ini^{n} ( n∈N∗n \in N^{*} )的值有什么变化规律,并把这个规律用式子表示出来.

拓广探索

  1. 已知复数 z1=m+(4−m2)i(m∈R)z_{1} = m + (4 - m^{2})\mathrm{i}(m\in \mathbf{R}) , z2=2cos⁡θ+(λ+3sin⁡θ)i(λ,θ∈R)z_{2} = 2\cos \theta +(\lambda +3\sin \theta)\mathrm{i}(\lambda ,\theta \in \mathbf{R}) ,并且 z1=z2z_{1} = z_{2} 求 λ\lambda 的取值范围.

*10. 在复平面的上半平面内有一个菱形 OABCOABC,∠AOC=120∘\angle AOC = 120^{\circ},点 AA 所对应的复数是 2+i2 + \mathrm{i},求另外两个顶点 BB,CC 所对应的复数.

第八章立体几何初步

立体几何是研究现实世界中物体的形状、大小与位置关系的数学分支,在解决实际问题中有着广泛的应用。在小学和初中,我们已经认识了一些从现实物体中抽象出来的立体图形,你能在下图中找到它们吗?

立体图形各式各样、千姿百态,如何认识和把握它们呢?本章我们将从对空间几何体的整体观察入手,研究它们的结构特征,学习它们的表示方法,了解它们的表面积和体积的计算方法;借助长方体,从构成立体图形的基本元素——点、直线、平面入手,研究它们的性质以及相互之间的位置关系,特别是对直线、平面的平行与垂直的关系展开研究,从而进一步认识空间几何体的性质.

立体图形是由现实物体抽象而成的。直观感知、操作确认、推理论证、度量计算,是认识立体图形的基本方法。由整体到局部,由局部再到整体,是认识立体图形的有效途径。学习本章内容要注意观察,并善于想象。